DE102007006438B4

DE102007006438B4 - Schaltung zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung gleichartiger Verbraucher

Info

Publication number: DE102007006438B4
Application number: DE102007006438.3A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Xu Chihao; Marc ALBRECHT; Christoph Hitzelberger
Original assignee: Motive X GmbH; X-MOTIVE GmbH
Current assignee: Albrecht Marc Us; ALBRECHT, MARC, SAN FRANCISCO, US; Hitzelberger Christoph Dipl-Ing De; X-Motive De GmbH
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: DE102007006438A1

Abstract

Schaltung zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung gleichartiger Verbraucher (Li), insbesondere von Leuchtdioden, bei der mehrere Verbraucher (Li) seriell schaltbar sind, um einen Strang (Zj) zu bilden, und bei der mehrere Stränge (Zj) parallel betreibbar sind, – wobei die Anzahl der in einem Strang (Zj) seriell geschalteten Verbraucher (Li) in Abhängigkeit von der Betriebsspannung (VBAT) und/oder von dem Betriebsstrom (ID) auswählbar ist, – wobei die Anordnung der Verbraucher (Li) Schalter (Sk) aufweist, welche das Zuschalten einzelner Verbraucher (Li) zu einem Strang (Zj) ermöglichen, – wobei eine Steuerung zur Einstellung der Anzahl der Verbraucher (Li) pro Strang (Zj) und Anzahl der Stränge (Zj) mittels Betätigung der Schalter (Sk) vorgesehen ist, – wobei der Betriebsstrom (ID) in jedem Strang (Zj) mit einer Stromquelle auf einen konstanten Wert geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Schalter (Sk) als Schalttransistoren ausgebildet sind, und – dass in jedem schaltbaren Strang (Zj) mindestens einer der Schalttransistoren als Regeltransistor für die benötigte Stromquelle vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung aus einer Vielzahl insbesondere gleichartiger Verbraucher, bei der mehrere Verbraucher seriell geschaltet sind und einen Strang bilden und bei der mehrere Stränge parallel betreibbar sind.
Eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt in der gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung aus Leuchtdioden, resistiven Heizelementen oder dgl. vorzugsweise gleichartigen elektrischen Verbrauchern, von denen eine Vielzahl verteilt über eine bestimmte Fläche angeordnet wird. Ein konkreter Anwendungsfall ist die Anordnung von mehreren Leuchtdioden in Lichtern eines Kraftfahrzeugs, bei denen durch eine flächige Anordnung von Leuchtdioden die bisher üblichen Glühbirnen beispielsweise für das Rücklicht, das Bremslicht oder dgl. ersetzt werden.
Ohne auf diese konkrete Anwendung beschränkt zu sein, wird die Erfindung nachfolgend anhand einer Leuchtdiodenanordnung beschrieben. Typischerweise wird eine Leuchtdiode immer stromgesteuert betrieben, da die Leuchtstärke proportional zu dem durch die Leuchtdiode fließenden Strom ist. Wie in 10 dargestellt, sorgt eine bekannte Transistorsteuerung dafür, dass ein Diodenstrom ID durch die Leuchtdiode fließt, wenn eine Versorgungsspannung VBAT größer ist als die Flussspannung VD der Leuchtdiode. Dann beginnt die Leuchtdiode zu leuchten, wobei der Wirkungsgrad durch die Beziehung
gegeben ist. Die Flussspannung V_D liegt typischerweise bei 3 Volt. In dem Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeugs, in dem eine Leuchtdiodenanordnung betrieben werden soll, kann die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung V_BAT bis zu 16 Volt betragen, so dass der Wirkungsgrad im Falle der Ansteuerung 5 einer einzigen LED nur etwa 18% beträgt. Dies kann dadurch verbessert werden, dass zwei Leuchtdioden in Serie geschaltet werden, weil hierdurch der Wirkungsgrad verdoppelt wird:
Für eine Leuchteneinheit werden typischerweise viele Leuchtdioden in einem Feld oder Array eingesetzt, so dass grundsätzlich auch mehr als zwei Leuchtdioden in Serie geschaltet werden können. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass die Versorgungsspannung V_BAT größer ist als die Summe der Flussspannungen der in Serie geschalteten Leuchtdioden bzw. – allgemeiner – der Spannungsabfälle an den in Serie geschalteten Verbrauchern. Da in einem Kraftfahrzeug eine Versorgungsspannung auch bis auf etwa 6 Volt absinken kann, lässt sich ohne weiteres keine Schaltung von drei in Serie geschalteten Leuchtdioden realisieren, weil aufgrund der schwankenden Versorgungsspannung in einem Kraftfahrzeug bei den niedrigsten auftretenden Versorgungsspannungen die Spannung für den Betrieb der Beleuchtung nicht mehr ausreichen würde.
Um den Wirkungsgrad dennoch zu erhöhen und eine größere Anzahl von in Serie geschalteten Leuchtdioden in einem Kraftfahrzeug betreiben zu können, werden sogenannte DC/DC-Spannungswandler wie Buck, Boost oder Buck/Boost eingesetzt. Ein DC/DC-Spannungswandler erzeugt eine stabile Ausgangsspannung in einstellbarer Höhe, aus der die Leuchtdioden gespeist werden können. Dies ermöglicht es, die Leuchtdioden zu Anordnungen bzw. Arrays bestimmter Größe, z. B. vier Stränge mit drei in Serie geschalteten Leuchtdioden, d. h. insgesamt 12 Leuchtdioden, fest zu verschalten. Diese Anordnungen ersetzen zunehmend die gebräuchlichen Glühlampen für Blinker, Rückleuchten, Bremsleuchten, Frontscheinwerfer und dgl..
Nachteilig an diesen derzeit eingesetzten Anordnungen ist die Verwendung eines DC/DC-Spannungswandlers, dessen Prinzipschaltbild als industrieller Chip zur Leuchtdioden-Array-Ansteuerung in 11 dargestellt ist. Ein derartiger Spannungswandler benötigt mindestens eine Spule und einen Kondensator, meist sogar mehrere Spulen und Kondensatoren. Dies verursacht hohe Kosten, da zum einen die Bauteile als solche Kosten verursachen und zum anderen der Zusammenbau, der Test und die Wartung des fertigen Moduls aufwendig sind. Problematisch im automobilen Umfeld sind auch die durch die Eigenschaften der schaltenden Regler hervorgerufenen Störungen der elektromagnetischen Verträglichkeit. Außerdem ist das benötigte Bauvolumen derartiger Spannungswandler vergleichsweise groß, so dass aufgrund des häufig nur geringen Einbauplatzes Einschränkungen im Design hingenommen werden müssen.
Aus dem Stand der Technik sind Schaltungen zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung gleichartiger Verbraucher bekannt, die das Konzept verfolgen, die Verbraucher in Abhängigkeit der Versorgungsspannung miteinander zu verschalten, um eine nachteilige Regelung der Versorgungsspannung weitgehend zu vermeiden.
So schlägt die DE 44 20 589 A1 vor, als LED ausgestaltete Leuchtmittel einer Fahrradbeleuchtung in Abhängigkeit der Höhe einer die Leuchtmittel versorgenden Dynamospannung entweder in Reihe oder in Parallelschaltung zum Dynamo zu schalten, wobei die Leuchtstärke der LEDs durch separate Stromquellen eingestellt werden kann.
Die US 7,009,580 B2 offenbart eine Schaltung zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung von LEDs, bei der die Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs in Abhängigkeit der Versorgungsspannung variiert wird, wobei der Strom durch die Reihenschaltungen der LEDs jeweils mit Hilfe separater einstellbarer Stromquellen eingestellt wird. Die Schaltung bedient sich hierbei zusätzlicher normaler Dioden, um die einzelnen LED Reihenschaltungen im Bedarfsfall voneinander zu trennen oder erst herbeizuführen. An diesen Dioden fällt prinzipbedingt im Durchlassfall eine Verlustleistung ab.
Die EP 1 583 399 A2 offenbart eine Schaltung zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung von LEDs, bei der zumindest in einem Strang von in Reihe geschalteten LEDs die Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs von der Versorgungsspannung abhängt. Dies wird dadurch erreicht, in dem im Bedarfsfall zumindest eine LED aus dem Strang entfernt wird, wobei diese entfernte LED nicht mehr leuchtet.
Die US 2006/0208669 A1 offenbart eine Schaltung zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung von LEDs, bei der die Anzahl von in einem Strang in Serie geschalteten LEDs in Abhängigkeit von Betriebsparametern wie der Temperatur und der Betriebsspannung variiert wird. Auch bei der in der US 2006/0208669 A1 offenbarten Schaltung werden die aus dem Strang entfernten LEDs nicht mehr angesteuert und bleiben dunkel.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung gleichartiger Verbraucher der genannten Art derart weiterzubilden, dass sie einen hohen Wirkungsgrad aufweist, keine elektromagnetische Störstrahlung absondernde Ansteuerelektronik, insbesondere DC/DC-Spannungswandler, aufweist und im Normalbetrieb sämtliche Verbraucher versorgt, wobei separate Stromquellen nicht benötigt werden
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 insbesondere dadurch gelöst, dass die Anzahl der in einem Strang seriell geschalteten Verbraucher in Abhängigkeit von der Betriebsspannung und/oder dem Betriebsstrom auswählbar ist, wobei zur Einstellung der Anzahl der in einem Strang seriell geschalteten Verbraucher als Schalttransistoren ausgebildete Schalter vorgesehen sind, und wobei in jedem schaltbaren Strang mindestens einer der Schalttransistoren als Regeltransistor für eine den Strom in diesem Strang einstellende Stromquelle vorgesehen ist. Die grundlegende Idee der Erfindung liegt also darin, die Betriebs- bzw. Versorgungsspannung VBAT nicht vorzuregeln, sondern die jeweils aktuell zur Verfügung stehende Versorgungsspannung VBAT auf möglichst viele Leuchtdioden zu verteilen. Eine für eine bestimmte Stranglänge zu geringe Versorgungsspannung V_BAT lässt sich bspw. feststellen, wenn der gemessene Stromfluss des Betriebsstromes auch durch eine Übersteuerung des zuständigen Regeltransistors nicht die gewünschte bzw. eingestellte Höhe erreicht. Ist dies der Fall, dann wird die Stranglänge, d. h. die Anzahl der im Strang befindlichen Verbraucher, um so viele Verbraucher reduziert, bis der gewünschte Stromfluss wieder hergestellt ist. Sollte genügend Strom fließen, kann bspw. in gewissen zeitlichen Abständen versucht werden, die Länge des Stranges um bzw. auf die maximal mögliche Anzahl der Verbraucher zu erhöhen. Dabei ist es für die vorliegende Erfindung wie bereits ausgeführt jedoch nicht notwendig, dass es sich bei den Verbrauchern um Leuchtdioden handelt. Vielmehr ist die vorliegende Erfindung in allen Fällen anwendbar, in denen eine Vielzahl vorzugsweise gleichartiger Verbraucher in einer Anordnung gleichzeitig betrieben werden sollen. Der Einfachheit halber werden die Vorteile der Erfindung nachfolgend jedoch anhand einer Leuchtdiodenanordnung beschrieben, welche eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Durch den Einsatz der jeweils größtmöglichen Anzahl von in Serie geschalteten Leuchtdioden in einem Strang lässt sich der Wirkungsgrad erheblich erhöhen, weil die Anordnung flexibel an die derzeit zur Verfügung stehende Versorgungsspannung V_BAT angepasst wird. Hierdurch werden zusätzliche DC/DC-Spannungswandler mit externen Bauteilen überflüssig, die ihrerseits auch eine gewisse Verlustleistung aufweisen. Da bekannt ist, welche Diodenspannung an jeder Leuchtdiode in Betrieb in etwa abfällt, lässt sich die maximale Anzahl von Leuchtdioden pro Strang einfacher Weise dadurch bestimmen, dass die zur Verfügung stehende Betriebsspannung mindestens gleich der Summe der Dioden- bzw. Flussspannungen der in einem Strang seriell geschalteten Leuchtdioden sein muss.
Um die erfindungsgemäß vorgeschlagene flexible Stranglänge zu realisieren, kann die Anordnung der Verbraucher gemäß der vorliegenden Erfindung Schalter aufweisen, welche das Zuschalten einzelner Verbraucher zu einem Strang ermöglicht. Die Anordnungen der Verbraucher bzw. die Leuchtdioden-Arrays bilden im daher keine fest verdrahtete Einheit mehr. Stattdessen werden je nach der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung einzelne Verbraucher bzw. einzelne zusammen geschaltete Gruppen von Verbrauchern über in die Schaltung integrierte Schalter miteinander verbunden, um Stränge mit einer gewünschten Anzahl von Verbrauchern zu realisieren. Durch diese flexible Zuschaltung von Verbrauchern bzw. Leuchtdioden ermöglicht die vorliegende Erfindung daher das Betreiben eines Arrays mit einer festen Gesamtzahl von Verbrauchern in verschiedenen Betriebsmodi, d. h. mit verschiedener Strangzahl und einer verschiedener Anzahl von in einem Strang in Serie geschalteten Verbrauchern.
Um zu vermeiden, dass in einem Strang nicht zugeschaltete Verbraucher in bestimmten Schalterstellungen überhaupt nicht verwendet werden, ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil der Verbraucher in der Anordnung mittels mehrerer zusammenwirkender Schalter mindestens zwei verschiedenen Strängen zuschaltbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, flexibel unterschiedliche Stranglängen zu bilden, wobei alle oder die meisten der in der Anordnung vorhandenen Verbraucher bei der Ansteuerung angesteuert werden.
Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine besonders flexible Anordnung dann gegeben ist, wenn die Anordnung der Verbraucher zwei Versorgungsleitungen, insbesondere eine spannungsführende Leitung und die Masse aufweist, zwischen welchen insbesondere parallel Strangleitungen mit Verbrauchern und Schaltern angeordnet sind. Hierdurch können einzelne Verbraucher den verschiedenen Strängen auf einfache Weise zugeschaltet werden.
Erfindungsgemäß lässt sich eine besonders flexible Anordnung dadurch erreichen, dass zwischen den Strangleitungen Verbindungsleitungen vorgesehen sind, in welchen auch Schalter und ggf. Verbraucher angeordnet sind. Durch diese Verbindungsleitungen ist es möglich, eine oder mehrere Strangleitungen mit darin angeordneten Verbrauchern zu einen Gesamtstrang zusammenzuschalten und auf diese Weise Stränge mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten Verbrauchern zu erreichen.
Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn benachbart zu einem Verbindungspunkt einer Strangleitung mit einer Verbindungsleitung in der Strangleitung ein Schalter und/oder ein Verbraucher und in der Verbindungsleitung ein Schalter und/oder ein Verbraucher angeordnet sind. Durch diese Anordnung kann an jedem Verbindungspunkt durch Betätigung geeigneter Schalter flexibel ausgewählt werden, welche Verbraucher zu einem Strang zusammengeschaltet werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn durch Verbindungsleitungen und Strangleitungen geschlossene Kreisläufe schaltbar sind, in denen mindestens ein Verbraucher und mehrere Schalter angeordnet sind, so dass dieser Kreislauf an geeigneten Stellen unterbrochen werden kann, um die in diesem Kreislauf vorhandenen Verbraucher dem einen oder dem anderen Strang zuzuschalten.
Um diese Schalter einfach ansteuern zu können und eine einfache Umsetzung der Schaltungsanordnung zu erreichen, ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die vorzugsweise als Schalttransistoren ausgebildeten Schalter in einem Chip mit Anschlüssen zur Verbindung mit Leiterbahnen einer Platine integriert sind. In den Leiterbahnen der Platine können dann die jeweiligen Verbraucher, beispielsweise die Leuchtdioden, an den gewünschten Stellen angeordnet werden. Dies ermöglicht es, einen einzigen Chip mit definierten Anschlüssen vorzusehen, der für eine Vielzahl konkreter Anordnungen von gleichermaßen verwendet werden kann. So kann die Platine beispielsweise auch eine flexible Leiterplatte sein, die eine besonders variable Anordnung der einzelnen Verbraucher im Raum ermöglicht.
Da die erreichte Wirkung der Verbraucher häufig nicht von der Versorgungsspannung, sondern von dem tatsächlich fließenden Betriebsstrom abhängt, ist es vorteilhaft, wenn in einem Strang nicht die anliegende Betriebsspannung, sondern der Betriebsstrom durch einen Strang auf einen konstanten Wert geregelt wird. Dies stellt sicher, dass Schwankungen in der Flussspannung, Mismatch, Alterung und Temperatur der Verbraucher keinen Einfluss auf deren Eigenschaften, beispielsweise die Leuchtstärke der Leuchtdioden, haben.
Dazu kann in einem, vorzugsweise in jedem schaltbaren Strang mindestens ein Schaltertransistor als Regeltransistor zur Einstellung des Betriebsstroms vorgesehen sein. Dieser kann bspw. mit den vorerwähnten Chip integriert sein.
Um sich auch auf wechselnde Betriebsspannungen einstellen zu können, weist die Schaltung vorzugsweise eine Steuerung zur Einstellung der Anzahl der Verbraucher pro Strang und der Anzahl der Stränge mittels Betätigung der vorbeschriebenen Schalter auf.
Dazu kann die Steuerung unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebsspannung V_BAT und der an den Verbrauchern abfallende Flussspannung V_D die Anzahl der in Serie schaltbaren Verbraucher ermitteln und die Gesamtzahl der Verbraucher durch die Anzahl der in Serie schaltbaren Verbraucher teilen. Hierdurch lässt sich die Anzahl der Stränge ermitteln, wobei im Falle eines verbleibenden (Divisions-)Restes an Verbrauchern ein Reststrang mit einer kleineren Anzahl von Verbrauchern (bspw. Leuchtdioden) verbleibt.
Da aufgrund der Schaltungsanordnung an jedem Strang, d. h. auch an einem Reststrang, die gleiche Spannung abfällt, muss an diesem Reststrang eine höhere Verlustleistung abfallen als an den vollständig gefüllten Strängen. Bei dem Abfall der Verlustleistung entsteht typischer Weise Wärme. Da große Wärmequellen jedoch in der Regel unerwünscht sind, kann zur Vermeidung hoher Verlustleistungen vorgesehen werden, dass die Steuerung einen verbleibenden Reststrang durch Wegnahme von je einem Verbraucher aus einem ursprünglichen vollen Strang füllt, bis die Anzahl der Verbraucher in dem Reststrang der Anzahl der Verbraucher in einem Strang entspricht, dem zum Ausgleich des Reststranges Verbraucher weggenommen wurden. Hierdurch wird zwar die Verlustleistung in den eigentlich vollen Strängen erhöht, die besonders hohe Verlustleistung mit starker Wärmeentwicklung in dem einen Reststrang jedoch vermieden. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Erwärmung der Schalteranordnung, beispielsweise in einem Chip, und vermeidet punktuelle Wärmeherde.
Da allerdings die Gesamterwärmung der Schaltungsanordnung bzw. des Chips stark steigen kann, wenn in allen Strängen eine höhere Verlustleistung auftritt, kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass die Steuerung den Ausgleich eines verbleibenden Reststrangs durch Festlegen einer maximalen Anzahl von Verbrauchern begrenzt, welche einem vollen Strang weggenommen werden. Ferner kann erfindungsgemäß festgelegt werden, wie viele der vorhandenen vollen Stränge für einen Ausgleich eines verbleibenden Reststrangs herangezogen werden. Diese Festlegung kann beispielsweise auf eine oder zwei Verbraucher pro Strang begrenzt, abhängig von der entstehenden Verlustleistung angepasst oder durch eine prozentuale Bestimmung der Anzahl der Verbraucher in einem Strang bzw. der Anzahl der Stränge erreicht werden.
Ferner kann in der Schaltung erfindungsgemäß eine Temperaturüberwachungseinrichtung vorgesehen sein, welche bei dem Feststellen einer Übertemperatur einzelne Stränge mit Verbrauchern abschaltet, wobei jeweils ein Strang mit der kleinsten Anzahl von in Serie geschalteten Verbrauchern abgeschaltet wird, da bei diesem die Verlustleistung am größten ist.
Die zuvor beschriebene Steuerung und die Temperaturüberwachungseinrichtung können gemeinsam oder jede für sich in einen Chip integriert sein, vorzugsweise in den Chip, in welchem sich auch die einzelnen Schalter und ggf. die Regeltransistoren zur Einstellung des Betriebsstroms in einem Strang befinden. Dies ermöglicht es, die vorliegende Erfindung in einem einzigen elektronischen Bauteil umzusetzen, welches als Chip mit entsprechenden Anschlüssen universell für eine Vielzahl konkreter Anordnungen von Verbrauchern auf festen oder flexiblen Platinen vorgesehen wird. Die Leiterbahnen auf einer Platine sind bspw. derart geführt, dass die Schalter zum Zusammenschalten der in Serie geschalteten Verbraucher eines Strangs jeweils in dem Chip enthalten sind und an ihren Anschlussseiten Ausgänge zu den Verbrauchern aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezüge.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Anordnung in einer Prinzipdarstellung mit 2 Leuchtdioden (LEDs);
2a bis 2c eine Schaltungsanordnung mit 12 LEDs und 16 Schaltern in verschiedenen Schaltzuständen bzw. Betriebsmodi;
3 den theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung für die Anordnungen gemäß 2;
4a bis 4c eine Schaltungsanordnung in Form einer Verschaltungsmatrix mit 6 LEDs in verschiedenen Schaltzuständen;
5a bis 5d eine Schaltungsanordnung in Form einer Verschaltungsmatrix mit 7 LEDs in verschiedenen Schaltzuständen;
6a bis 6d eine Schaltungsanordnung in Form einer Verschaltungsmatrix mit 8 LEDs in verschiedenen Schaltzuständen;
7a bis 7d eine Schaltungsanordnung in Form einer Verschaltungsmatrix mit 10 LEDs in verschiedenen Schaltzuständen;
8 den Wirkungsgrad für verschiedene Schaltungsanordnungen und Betriebsmodi in tabellarischer Form;
9a bis 9d eine Schaltungsanordnung in Form einer Verschaltungsmatrix mit 16 LEDs in verschiedenen Schaltzuständen;
10 eine herkömmliche Schaltung zur Ansteuerung von LEDs mit einer MOS-Stromquelle und
11 das Prinzipschaltbild eines bekannten Chips zur LED-Array-Ansteuerung.
1 erläutert eine erfindungsgemäße Schaltung 1 zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung gleichartiger Leuchtdioden (LED) L1, L2, bei der mehrere als Verbraucher angeschlossene LEDs L1, L2 seriell geschaltet werden und einen Strang Z1 bilden, wobei grundsätzlich mehrere Stränge Zj parallel betreibbar sind, wie beispielsweise aus den 2a bis 2c ersichtlich.
Die Anzahl der in dem Strang Zj seriell geschalteten Verbraucher Li ist in Abhängigkeit von der in einer Spannungs- bzw. Stromquelle 2 zur Verfügung stehenden Betriebsspannung bzw. Betriebsstrom auswählbar. Dies wird in 1 an einem einfachen Beispiel mit zwei LEDs L1 und L2 veranschaulicht. Wenn die in der Spannungsquelle 2 gegenüber Masse 3 zur Verfügung stehende Betriebsspannung V_BAT kleiner als 6 Volt ist, und die über einer Leuchtdiode abfallende Flussspannung VD etwa 3 Volt beträgt, bleibt der Schalter S2, welcher in einem die Leuchtdioden L1 und L2 verbindenden Leiter angeordnet ist, geöffnet. Die Schalter S1 in dem Strang Z1 und S3 in dem Strang Z2 werden dagegen geschlossen, so dass pro Strang lediglich eine LED L1 bzw. L2 betrieben wird. In diesem ersten Betriebsmodus werden die beiden LEDs L1 in einem ersten Strang Z1 und L2 in einem Strang Z2 parallel betrieben, da die Versorgungsspannung V_BAT kleiner 6 Volt nicht ausreicht, mehrere LEDs in Serie zu schalten. In diesem Fall fließt also der Betriebsstrom I_D sowohl durch den Strang Z1 mit der Leuchtdiode L1 als auch durch den Strang Z2 mit der Leuchtdiode L2.
Wenn dagegen der Betriebsstrom V_BAT größer als 6 Volt ist, werden die Schalter S1 und S3 geöffnet und der Schalter S2 geschlossen, so dass die LEDs L1 und L2 in Serie geschaltet sind. Diese Schaltanordnung stellt den zweiten Betriebsmodus dar, der dann aktiviert wird, wenn die Betriebsspannung V_BAT größer ist als die Summe der an den seriell geschalteten LEDs abfallende Flussspannung V_D.
In der Praxis wird das Umschalten dieser Betriebsmodi häufig nicht von der zur Verfügung stehenden Batteriespannung abhängig gemacht werden, sondern von dem durch die Stromquelle fließenden Strom. Insbesondere bei stromgesteuerten Verbrauchern wie bspw. LEDs ist ein Umschalten abhängig vom fließenden Strom notwendig bzw. sinnvoll. Dies stellt sicher, dass Schwankungen der Flussspannung, Mismatch sowie Alterung und Temperatur der Leuchtdioden keinen Einfluss auf deren Leuchtstärke haben.
Im Gegensatz dazu ist es bei fest verdrahteten Leuchtdioden-Arrays notwendig, immer eine ausreichende Betriebsspannung VBAT sicher zu stellen, die sich aus der Flussspannung VD und der Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs ableitet. Dies erfordert einen nicht unbeträchtlichen Aufwand, um die notwendige Betriebsspannung in geeigneter Weise zur Verfügung zu stellen, insbesondere bei Anwendungen mit schwankender Betriebsspannung, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden dagegen eine gewisse Anzahl von LEDs je nach zur Verfügung stehender Bord- bzw. Versorgungsspannung bzw. zur Verfügung stehenden Diodenstrom zu parallelen Strängen Zj in Serie geschalteter LEDs Li zusammengefasst, wobei sich die konkrete Verteilung der LEDs Li auf die Stränge Zj anhand der an den einzelnen LEDs Li abfallenden Flussspannung V_D ermitteln lässt.
Gebräuchliche HighLuminence LEDs Li in Automotive-Applikationen besitzen eine Flussspannung VD von typischerweise ungefähr 3 Volt. Die Betriebsspannung V_BAT beträgt für automobile Anwendung im schlechtesten Fall, beispielsweise einem Kaltstart bei tiefen Temperaturen, ungefähr 6 Volt. In diesem Fall können also zwei LEDs L1 und L2 in Serie geschaltet werden.
Ab einer zur Verfügung stehenden Betriebsspannung V_BAT von 9 Volt können drei LEDs L1, L2, L3 in Serie geschaltet werden. Ab einer Betriebsspannung von 12 Volt beläuft sich die maximale Anzahl der LEDs Li in einem Strang Zj auf vier.
Bei einer erfindungsgemäßen LED-Anordnung mit 12 LEDs L1 bis L12 ergeben sich damit drei typische Betriebsmodi:

a) 6 V < V_BAT < 9 V: 6 Stränge Z1 bis Z6 mit zwei seriellen LEDs L1 und L2,
b) 9 V < V_BAT < 12 V: 4 Stränge Z1 bis Z4 mit drei seriellen LEDs L1 bis L3,
c) 12 V < V_BAT: 3 Stränge Z1 bis Z3 mit vier seriellen LEDs L1 bis L4.

Ein Betriebsmodus mit zwei Strängen und sechs LEDs ist bei Betriebsspannungen über 18 Volt auch möglich. In dem betrachteten Beispiel einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug kommen derartige Betriebsspannungen jedoch nur pulsartig vor, so dass dieser Betriebsmodus in den in Bezug auf die 2a bis 2c beschriebenen Schaltungsmatrizen nicht realisiert wird.
Wie vorstehend erläutert, leiten sich die Anzahl der Stränge Zj und die Anzahl der Betriebsmodi von der Gesamtanzahl der verwendeten LEDs Li ab, wobei es von Vorteil ist, wenn die Gesamtanzahl der verwendeten LEDs das kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der LEDs Li pro Betriebsmodus und pro Strang Zj ist. Grundsätzlich lassen sich, wie nachfolgend anhand weiterer Ausführungsbeispiele noch erläutert, auch beliebige andere Gesamtzahlen von LEDs Li in Verschaltungsmatrizen realisieren.
2a zeigt die Verschaltung von insgesamt 12 LEDs L1 bis L12 in einer Verschaltungsmatrix, welche zwei Versorgungsleitungen 4 aufweist, von denen jeweils eine an eine nicht dargestellte Spannungsquelle 2 und die andere an die Masse 3 angeschlossen ist, wie grundsätzlich in 1 gezeigt. Zwischen den beiden Versorgungsleitungen 4 sind Strangleitungen 5 mit Verbrauchern (Leuchtdioden Li) und Schaltern (Sk) angeordnet, die in einen Chip integriert sein können. Das Gleiche gilt für insgesamt 12 Anschlüsse in dem Chip, einschließlich dem Plus-Pol und der Masse.
Die LEDs L1 bis L12 werden meist direkt auf der Leiterplatte angeschlossen, so dass die Verbindung zwischen dem Chip mit den integrierten Schaltern S1 bis S16 und den LEDs Li mit geringem Aufwand zu realisieren ist, da der Chip beispielsweise auf derselben Leiterplatte wie die LEDs angeordnet werden kann.
Für den in 2a dargestellten Betriebsmodus mit einer Versorgungsspannung V_BAT < 9 Volt und daher nur zwei in Serie geschalteten LEDs Li sind jeweils die Schalter S2, S3, S6, S8, S11, S14 und S15 in den Verbindungsleitungen 6 zwischen den Strangleitungen 5 geöffnet und die Schalter S1, S4, S5, S7, S9, S10, S12, S13 und S16 in den insgesamt sechs Strangleitungen 5 geschlossen, so dass jede der Strangleitungen 5 einen Strang Z1 bis Z6 bildet.
Für die in 2b gezeigte Verschaltungsmatrix der 12 LEDs L1 bis L12 steht eine Versorgungsspannung V_BAT zwischen 9 Volt und 12 Volt zur Verfügung, so dass pro Strang Zi drei LEDs in Serie geschaltet werden können. Da in einer Strangleitung 5 jeweils nur zwei LEDs angeordnet sind, sind in diesem Fall Schalter Sk in den Verbindungsleitungen 6 geschlossen, so dass jeweils drei LEDs aus zwei Strangleitungen zu einem Strang Zj zusammengeschaltet werden. Die resultierenden vier Stränge Z1 bis Z4 können entlang der geschlossenen Schalter Sk nachverfolgt werden. Der erste Strang Z1 umfasst die Leuchtdioden L1, L2 und L3, welche durch Schließen der Schalter S2 und S3 in Serie geschaltet sind. Der zweite Strang Z2 wird durch die in Serie geschalteten LEDs L5, L6 und L4 bei geschlossenem Schalter S6 erreicht. Der dritte Strang Z3 wird durch Schließen der Schalter S9 und S11 erreicht und führt zu einem Zusammenschalten der LEDs L7, L8 und L10. Schließlich sind durch Schließen der Schalter S14 und S15 die Leuchtdioden L11, L12 und L9 zu einem Strang Z4 zusammengeschaltet.
2c zeigt die verbleibenden drei Stränge Z1 bis Z3 für einen Betriebsmodus, bei dem mehr als 12 Volt als Betriebsspannung V_BAT zur Verfügung stehen, so dass jeweils 4 LEDs pro Strang Zl bis Z3 in Reihe geschaltet sind.
Die Notation der Bezugszeichen entspricht der in 2a und 2b, so dass auf eine ausführliche Beschreibung der 2c verzichtet werden kann.
Es ist offensichtlich, dass die Betriebsspannung V_BAT auch Zwischenwerte des Mehrfachen der Flussspannung V_D annehmen kann. Eine Regelung des Stroms durch die jeweiligen Stränge Zj hält die Leuchtstärke der LEDs Li jedoch für jede Betriebsspannung V_BAT konstant. Da der Strom durch die LEDs Li direkt proportional zu ihrer Leuchtstärke ist, gleicht eine Stromregelung auch Nebeneffekte wie thermische Abhängigkeiten und Mismatch der LED-Flussspannungen VD aus. Für die benötigten Stromquellen werden die jeweiligen Schalter Sk eingesetzt.
Die Stromregelung selbst ist nicht Kern dieser Erfindung, da Stromregelschaltungen, wie sie in den einzelnen Strängen Zj verwendet werden können, weit verbreiteter Stand der Technik sind. Gegenüber Lösungen, die zur Leuchtstärkeneinstellung eine Pulsweitenmodulation verwenden, hat eine Lösung mit einem geregelten Diodenstrom I_D den Vorteil, dass keine EMV-Abstrahlung generiert wird, weil bei der Stromregelung keine Schaltvorgänge auftreten, so dass im Rahmen der erfindungsgemäßen Schaltung eine Stromregelung eines Pulsweitenmodulation vorzuziehen ist.
Die lineare Stromregelung erzeugt bekanntlich eine Verlustleistung. Daher ist der Wirkungsgrad für die in den 2a bis 2c realisierte Schaltung in 3 in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Betriebsspannung V_BAT dargestellt. Der Verlauf des Wirkungsgrades ähnelt Stückweise der Gleichung V_D/V_BAT. Wenn jedoch die Spannung bzw. der Strom für den nächsten längeren Strang Zj mit einer weiteren Leuchtdiode Li ausreicht, erhöht sich der Wirkungsgrad sprunghaft.
Mathematisch ausgedrückt ist der Wirkungsgrad durch die Beziehung
bestimmt. Der Faktor k hängt von der jeweiligen Stranglänge, d. h. der Anzahl der in Serie geschalteten LEDs Li in einem Strang Zj ab. In dem vorbeschriebenen Beispiel mit einer Serienschaltung von 2, 3 und 4 LEDs Li beträgt der Faktor K jeweils 2, 3 und 4. Sobald die Versorgungsspannung V_BAT jeweils die Summe der benötigten Flussspannungen der beteiligten LEDs Li erreicht, steigt der Wirkungsgrad sprunghaft an.
Der dargestellte Wirkungsgrad von 100% bei einer idealen Versorgungsspannung V_BAT ist jedoch noch nur ein theoretischer Wert, welcher den Durchlasswiderstand der Schalter Sk unberücksichtigt lässt. In einer realen Schaltung entstehen auch durch Verluste aufgrund der Widerstände der Schalter Sk Verluste, wobei die Beziehung n·V_D + I_D·R_S < V_BAT < (n + 1)·V_D + I_D·R_S gilt. Die als Schalttransistoren oder dgl. ausgebildeten Schalter Sk müssen die Spannungsdifferenz V_BAT – n·V_D aufnehmen. Bei einer Anordnung bzw. Array aus 12 Leuchtdioden Li beträgt der Wirkungsgrad im schlechtesten Fall also 66,7%. Anders ausgedrückt beträgt die Verlustleistung 50% der Nutzleistung.
Bei einer Leuchtdiodenleistung von 5 Watt entspricht dies einer Verlustleistung von 2,5 Watt, die von dem Chip mit den integrierten Schaltern Sk typischerweise in Form von Wärme abgeführt werden muss.
Im Unterschied zu Lösungen mit einer fest verdrahteten Anzahl von LEDs in einem Strang und einer Regelung der Betriebsspannung wird durch die flexible Zuschaltung einzelner LEDs Li in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Betriebsspannung V_BAT die LED Li selbst als spannungsteilendes Element verwendet. Die überschüssige Spannung, die sich aus der Differenz zwischen der Betriebsspannung und der Summe der Flussspannungen der einzelnen LEDs Li eines Strangs Zj berechnet, wird jedoch in den Stromquellen bzw. den Schaltern Sk umgesetzt. Unter normalen Betriebsbedingungen in einem Kraftfahrzeug beträgt die Höhe der Bordspannung etwa 14 Volt, was bei einem optimalen Betriebsmoduls von drei Strängen Zj mit vier seriell geschalteten LEDs Li zu einer Restspannung von etwa 2 Volt führt. Der Wirkungsgrad beträgt für diesen Fall 86% und ist gleichwertig oder sogar besser als bei einer Lösung mit einem DC/DC-Spannungswandler gemäß dem Stand der Technik.
In konkreten Anwendungen besteht eine Leuchteneinheit jedoch nicht immer aus 12 Leuchtdioden Li. Das Prinzip, die Versorgungsspannung variabel auf mehrere Verbraucher zu verteilen, gilt jedoch auch in diesem Fall.
In diesem Fall wird unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebsspannung V_BAT die Anzahl der in Serie schaltbaren Verbraucher ermittelt und die Gesamtzahl der Verbraucher durch die Anzahl der in Serie schaltbaren Verbraucher geteilt. Dies ergibt die Anzahl der Stränge Zj, wobei im Falle eines verbleibenden Restes an Verbrauchern ein Reststrang mit einer kleineren Anzahl an Verbrauchern verbleibt. In diesem Fall ist es sinnvoll, einen verbleibenden Reststrang durch Wegnahme von je einem Verbraucher aus einem ursprünglich vollen Strang zu füllen, bis die Anzahl der Verbraucher in dem Reststrang der Anzahl der Verbraucher in einem ursprünglich vollständig gefüllten Strang entspricht, dem zum Ausgleich des Reststrangs Verbraucher weggenommen wurden. Hierbei ist es sinnvoll, die Anzahl der einem vollen Strang maximal weggenommenen Verbraucher beispielsweise auf einen oder zwei Verbraucher zu begrenzen.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise durch eine Steuerung realisiert, welche mit in den vorbeschriebenen Chip mit den Schaltern Sk integriert sein kann. Auf diese Weise bildet der Chip eine universell einsetzbare Einrichtung, die eine bestimmte Anzahl von maximal verfügbaren Strängen und Schaltmöglichkeiten vorgibt, wobei die spezielle Anordnung der Leuchtdioden bzw. sonstigen Verbraucher durch einen Gestaltung der Platine bzw. Leiterbahnen frei vorgebbar ist.
Dieses Konzept soll nachfolgend noch einmal an konkreter Beispielen beschrieben werden.
Falls die Gesamtzahl der verwendeten LEDs Li eine restlose Zerlegung anders als in dem bereits beschriebenen Fall von 12 LEDs (12 = 3 × 2 × 2) nicht erlaubt, wird die Verschaltung der Matrix entsprechend modifiziert. Dazu wird zunächst die Gesamtzahl aller LEDs Li durch die Anzahl der in Serie schaltbaren LEDs Li, welche durch die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung V_BAT festgelegt ist, geteilt. Sofern ein Rest an LEDs Li übrig bleibt, werden so viele Stränge Zj um eine LED reduziert, wie überschüssige LEDs vorhanden sind. Diese werden in den Reststrang aus den übrigen LEDs eingereiht, wodurch sich die Verlustleistung insgesamt auf mehrere Stränge verteilt. Dies führt zu dem Ergebnis, dass die vollständigen Stränge eine LED Li mehr in Serie geschaltet haben als die verbleibenden Reststränge, zu denen nun auch die ursprünglich vollen Stränge zählen, welchen eine (oder mehrere) LEDs weggenommen wurden.
Diese Anordnung ermöglicht eine Verteilung der insgesamt entstehenden Verlustleistungen auf mehrere Schalter Sk (Transistoren) in verschiedenen Strängen Zj und dient der Vermeidung von sogenannten Hotspots auf der Chipoberfläche, da die Verlustleistung auf insgesamt mehr verschiedene Schalter Sk aufgeteilt wird.
Zum besseren Verständnis folgen Verschaltungsbeispiele mit 6, 7, 8, 10 und 16 LEDs in den 4, 5, 6, 7 und 9.
Für den Fall, dass in der in 4a ausschließlich mit geöffneten Schaltern Sk dargestellten Verschaltungsmatrix sechs LEDs L1 bis L6 angesteuert werden, stellt eine Reihenschaltung von zwei LEDs pro Strang und drei LEDs pro Strang (6 = 3 × 2) keine Probleme bei der Aufteilung der einzelnen LEDs Li auf Stränge Zj dar. Diese beiden Schaltungsvarianten sind in den 4b (zwei LEDs Li pro Strang Zj) und 4c (drei LEDs Li pro Strang Zj) dargestellt.
4a stellt eine unbeschaltete Verschaltungsmatrix mit sechs LEDs L1 bis L6 dar, in der sämtliche Schalter S1 bis S7 geöffnet und mit Bezugszeichen versehen sind. In den 4b und 4c sind zusätzlich die jeweiligen Stränge Zj, j = 2 oder 3 angegeben.
Eine Verschaltung von vier LEDs Li in Reihe, die bei einer Versorgungsspannung V_BAT größer 12 Volt und der Flussspannung V_D einer Diode von 3 Volt möglich wäre, würde jedoch bedeuten, dass für den zweiten Strang Z2 nur noch zwei LEDs L5 und L6 zur Verfügung stehen. Dies würde eine vergleichsweise große Verlustleistung in dem zweiten Strang Z2 bedeuten.
Entsprechend der zuvor beschriebenen Vorgehensweise, wird der Rest von zwei LEDs L5 und L6 in dem zweiten Strang Z2 daher derart verändert, dass von dem vollständig gefüllten Strang Z1 mit den vier Leuchtdioden L1 bis L4 eine Leuchtdiode L4 statt dem ersten Strang Z1 dem zweiten Strang Z2 zuordnet wird. In diesem Fall verteilt sich die Verlustleistung gleichmäßig auf die Stränge Z1 und Z2, die jeweils drei in Serie geschaltete LEDs L1 bis L3 (für Z1) und L4 bis L6 (für Z2) aufweisen. Dieses Beispiel entspricht der in 4c dargestellten Verschaltung und wird daher nicht gesondert dargestellt.
In den 5a bis 5d werden verschiedene Schaltungsmatrizen für den Fall dargestellt, dass insgesamt sieben LEDs L1 bis L7 gleichzeitig angesteuert werden sollen. 5a zeigt dabei wiederum den unbeschalteten Zustand mit geöffneten Schaltern S1 bis S6. In den konkreten Verschaltungsbeispielen 5b, 5c und 5d sind zusätzlich die gebildeten Stränge Zj entsprechend angegeben. Dies gilt auch für die weiteren dargestellten Schaltungsanordnungen.
Bei einer Gesamtzahl von sieben LEDs L1 bis L7 verbleibt bei jeder Verschaltung ein Rest, da es sich bei der Zahl 7 um eine Primzahl handelt. Bei einer Reihenschaltung von maximal zwei LEDs Li in einem Strang Zj (d. h. einer Versorgungsspannung V_BAT von weniger als 9 Volt) erhält man drei volle Stränge Z2, Z3 und Z4 und einen Strang Z1 mit nur einer LED L1. Dies ist in 5b dargestellt. 5d zeigt eine Reihenschaltung von vier LEDs L4, L5, L6 und L7 in dem Strang Z2 (voller Strang bei einer Versorgungsspannung V_BAT größer als 12 Volt) und eine Zusammenschaltung der LEDs L1, L2, L3 in dem Strang Z1, der nicht vollständig gefüllt ist. In den in 5b und 5d dargestellten Fällen würde eine Umverteilung der LEDs jedoch keine Änderung der Verlustleistung bringen.
Anders sieht es bei einer Reihenschaltung von drei LEDs in einem vollen Strang aus (Versorgungsspannung V_BAT zwischen 9 und 12 Volt), da in diesem Fall zwei vollständig gefüllte Stränge Z1 und Z2 und ein Reststrang mit nur einer LED L1 erzeugt würde, in dem eine vergleichsweise hohe Verlustleistung auf tritt. Daher ist es für diesen Fall sinnvoll, eine LED Li aus einem vollständig gefüllten Strang Zj dem Reststrang mit nur einer LED Li zuzuordnen, so dass man zu der in 5c dargestellten Verschaltungsmatrix gelangt, in welcher der erste Strang Z1 drei LEDs L1, L2, L3 voll gefüllt ist und die beiden Stränge Z2, Z3 als Reststränge jeweils zwei LEDs L4, L5 bzw. L6, L7 in Serienschaltung aufweisen. Die Verlustleistung wird somit gleichzeitig auf die beiden Reststränge Z2, Z3 verteilt. Die Verschaltungsmatrix gemäß 5b ergeben sich bei einer Versorgungsspannung V_BAT < 9 Volt, die Schaltung gemäß 5c für eine Versorgungsspannung zwischen 9 und 12 Volt und die Verschaltungsmatrix gemäß 5d für eine Versorgungsspannung > 12 Volt, wobei angenommen wird, dass eine Versorgungsspannung von 15 Volt nicht dauerhaft zur Verfügung gestellt werden kann.
6a zeigt eine unbeschaltete Verschaltungsmatrix mit acht LEDs L1 bis L8 und den Schaltern S1 bis S9. Die in den 6b, 6c und 6d realisierten Verschaltungsmatrizen entsprechen Versorgungsspannungen V_BAT kleiner 9 Volt, zwischen 9 Volt und 12 Volt bzw. größer 12 Volt, wobei – wie in allen anderen Beispielen auch – eine Flussspannung der LEDs Li von 3 Volt angenommen wird.
Für den Fall einer gleichzeitigen Ansteuerung von acht LEDs L1 bis L8 stellt eine Reihenschaltung von zwei LEDs Li pro Strang Zj bzw. vier LEDs Li pro Strang Zj keine Probleme dar (8 = 2 × 2 × 2). Diese Varianten sind in den 6b und 6d dargestellt. Eine Verschaltung von drei LEDs Li in Reihe pro Strang Zj, die bei einer Versorgungsspannung V_BAT zwischen 9 Volt und 12 Volt möglich ist, führt zu zwei vollständig gefüllten Strängen Z1 und Z2 mit jeweils drei LEDs L1, L2, L3 bzw. L5, L6, L4. Der dritte Strang Z3 stellt einen Reststrang mit nur zwei LEDs L7, L8 dar (6c). Die Anwendung der zuvor beschriebenen Umverteilungsregel bringt in diesem Fall jedoch keine Änderung der Verteilung der Verlustleistung, da immer ein nicht vollständig gefüllter Strang verbleiben muss.
Entsprechende Verschaltungsmatrizen sind für eine Ansteuerung von 10 LEDs (7a bis 7d) dargestellt, wobei 7a wiederum eine ungeschaltete Anordnung zeigt. Entsprechendes gilt für die 9a bis 9d, welche eine Verschaltungsmatrix mit 16 LEDs für typische Verschaltungsfälle zeigt. Da die Erläuterung dieser Figuren den vorbeschriebenen Verschaltungsmatrizen entspricht, wird auf eine ausführliche Beschreibung dieser Verschaltungen verzichtet. In den 7b bis 7d bzw. 9b bis 9d sind die jeweils entstehenden Stränge Zj gekennzeichnet.
Zur Auslegung der erforderlichen Wärmeabführung für die in einem Chip entstandene Verlustleistung ist der im schlechtesten Falle erreichte Wirkungsgrad (WorstCase) wichtig. Zur Berechnung dieses Wirkungsgrades der vorbeschriebenen Schaltmatrizen ist ausschlaggebend, wie hoch die Spannung ist, die pro Strang Zj über den in dem Strang seriell geschalteten LEDs Li, über den in Serie geschalteten Stromquellen und den Schaltern Sk abfällt.
Da der Strom durch die Schalter Sk, die Stromquelle und die Leuchtdioden Li in jedem Strang gleich ist, genügt es, für die Wirkungsgradberechnung die Spannung über den seriell geschalteten Bauelementen zu betrachten. Die jeweiligen Schaltschwellen in der Versorgungsspannung V_BAT, die es erlauben, eine weitere LED Li mit in Serie in einem Strang Zj zu schalten, liegen bei einer realistisch angenommenen Flussspannungen von VD = 3 Volt bei 9 Volt, 12 Volt und 15 Volt, wobei die Schwelle von 18 Volt in den vorbeschrieben Beispielen nicht berücksichtigt wird, da diese in einem Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeugs in der Regel nicht zuverlässig zur Verfügung stehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorbeschriebenen Beispiele beschränkt und kann je nach zur Verfügung stehender Versorgungsspannung erweitert werden.
In der Tabelle gemäß 8 finden sich die Wirkungsgradberechnungen für die vorbeschriebenen Beispiele. Dies sei exemplarisch für den Fall einer Leuchtdiodenanordnung mit sechs Leuchtdioden (6-LED-Array) und einer Betriebsspannung V_BAT von gerade 9 Volt beschrieben, welche noch keine Umschaltung auf drei in Serie geschaltete LEDs Li pro Strang Zj erlaubt. In diesem Fall existieren drei parallele Stränge Z1, Z2, Z3 mit jeweils zwei in Serie geschalteten LEDs Li. Die gesamte, an allen beteiligten LEDs abfallende Flussspannung beträgt folglich 6 × V_D, was der Nutzleistung entspricht. Die Restspannung ist 3 × (9 Volt – 2 × V_D = 3V_D), was der maximalen Verlustleistung entspricht. Der Wirkungsgrad beträgt also:
Eine vollständige Aufstellung der Wirkungsgrade für alle vorbeschriebenen Varianten findet sich in 8. Es ist zu erkennen, dass der Wirkungsgrad im eher unwahrscheinlichen Fall von sieben anzusteuernden LEDs selbst im schlechtesten Fall 58% beträgt. Im normalen Automobilumfeld beträgt die Betriebsspannung (Bordspannung) V_BAT typischerweise etwa 16 Volt. Der Wirkungsgrad steigt hierfür je nach Anzahl der zu betreibenden LEDs bis auf 86%.
Für den Fall einer Übertemperatur auf dem Chip wird durch eine Temperaturüberwachung immer zuerst ein Strang Zj mit den wenigstens seriellen LEDs Li abgeschaltet, denn für diese müssen die seriellen Schalter Sk und die Stromquellen am meisten Verlustleistung umsetzen. Dies hat den Vorteil, dass zum einen die thermische Belastung des Chips am stärksten sinkt, zum anderen aber die Gesamtleuchtstärke am wenigstens beeinflusst wird, da nur wenige LEDs abgeschaltet werden. Sollten mehrere Stränge die Mindestzahl an LEDs aufweisen und nicht vollständig besetzt sein, so kann ggf. nur ein Strang Zj abgeschaltet werden. Die restlichen, ebenfalls nicht vollständig gefüllten bzw. besetzten Stränge Zj können dann mit den nun frei gewordenen LEDs zu vollen Strängen aufgefüllt werden, um deren Verlustleistung zu verringern.
Dies zeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Beschaltung von Leuchtdioden in von der Betriebsspannung V_BAT abhängigen unterschiedlichen Stranganordnungen ein hoher Leistungsgrad auch ohne eine Vorabregelung der Betriebsspannung erreicht werden kann. Dies führt zu geringeren Herstellungskosten, einer höheren Zuverlässigkeit der Schaltung durch Verringerung der Komplexität, aufgrund der gesparten Schaltelemente zu einem geringeren Gewicht der Schaltung und einem verringerten Bauvolumen. Ferner wird eine EMV-Abstrahlung vermieden.
Das erfindungsgemäße Prinzip, die aus mehr als einem Verbraucher bestehende Last bei variabler Versorgungsspannung so zu beschalten, dass die Versorgungsspannung ohne Umwandlung maximal belastet wird, gilt neben dem konkret anhand von Leuchtdioden beschriebenen Beispiel auch für andere Lasten, beispielsweise resistive Heizelemente.
Bezugszeichenliste

1: Schaltung
2: Spannungs- bzw. Stromquelle
3: Masse
4: Versorgungsleitungen
5: Strangleitungen
6: Verbindungsleitungen
Li: Leuchtdiode LED, i = 1, ..., n
Zj: Strang mehrerer, in Serie geschalteter LEDs, j = ll, ... r
Sk: Schalter, k = 1, ..., l
V_BAT: Betriebsspannung, Versorgungsspannung
V_D: Flussspannung
I_D: Diodenstrom

Claims

Schaltung zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung gleichartiger Verbraucher (Li), insbesondere von Leuchtdioden, bei der mehrere Verbraucher (Li) seriell schaltbar sind, um einen Strang (Zj) zu bilden, und bei der mehrere Stränge (Zj) parallel betreibbar sind, – wobei die Anzahl der in einem Strang (Zj) seriell geschalteten Verbraucher (Li) in Abhängigkeit von der Betriebsspannung (VBAT) und/oder von dem Betriebsstrom (ID) auswählbar ist, – wobei die Anordnung der Verbraucher (Li) Schalter (Sk) aufweist, welche das Zuschalten einzelner Verbraucher (Li) zu einem Strang (Zj) ermöglichen, – wobei eine Steuerung zur Einstellung der Anzahl der Verbraucher (Li) pro Strang (Zj) und Anzahl der Stränge (Zj) mittels Betätigung der Schalter (Sk) vorgesehen ist, – wobei der Betriebsstrom (ID) in jedem Strang (Zj) mit einer Stromquelle auf einen konstanten Wert geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Schalter (Sk) als Schalttransistoren ausgebildet sind, und – dass in jedem schaltbaren Strang (Zj) mindestens einer der Schalttransistoren als Regeltransistor für die benötigte Stromquelle vorgesehen ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Verbraucher (Li) in der Anordnung mittels mehrerer zusammenwirkender Schalter (Sk) mindestens zwei verschiedenen Strängen (Zj) zuschaltbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Verbraucher (Li) zwei Versorgungsleitungen (4) aufweist, zwischen welchen Strangleitungen (5) mit Verbrauchern (Li) und Schaltern (Sk) angeordnet sind.
Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Strangleitungen (5) Verbindungsleitungen (6) vorgesehen sind, in welchen Schalter (Sk) und/oder Verbraucher (Li) angeordnet sind.
Schaltung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu einem Verbindungspunkt einer Strangleitung (5) und einer Verbindungsleitung (6) in der Strangleitung (5) ein Schalter (Sk) und/oder ein Verbraucher (Li) und in der Verbindungsleitung (6) ein Schalter (Sk) und/oder ein Verbraucher (Li) angeordnet sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sk) in einen Chip mit Anschlüssen zur Verbindung mit Leiterbahnen einer Platine integriert sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstroms einstellbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebsspannung (VBAT) die Anzahl der in Serie schaltbaren Verbraucher (Li) ermittelt und die Gesamtzahl der Verbraucher (Li) durch die Anzahl der in Serie schaltbaren Verbraucher (Li) teilt, um die Anzahl der Stränge (Zj) zu ermitteln, wobei im Falle eines verbleibenden Restes an Verbrauchern (Li) ein Reststrang (Zj) mit einer kleineren Anzahl an Verbrauchern (Li) verbleibt.
Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen verbleibenden Reststrang (Zj) durch Wegnahme von je einem Verbraucher (Li) aus einem ursprünglich vollen Strang (Zj) füllt, bis die Anzahl der Verbraucher (Li) in dem Reststrang (Zj) der Anzahl der Verbraucher (Li) in einem Strang (Zj) entspricht, dem zum Ausgleich des Reststrangs (Zj) Verbraucher (Li) weggenommen wurden.
Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung den Ausgleich eines verbleibenden Reststrangs (Zj) durch Festlegen einer maximalen Anzahl von Verbrauchern (Li) begrenzt, welche einem vollen Strang (Zj) weggenommen werden.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturüberwachungseinrichtung vorgesehen ist, welche bei dem Feststellen einer Übertemperatur einzelne Stränge (Zj) mit Verbrauchern (Li) abschaltet, wobei jeweils ein Strang (Zj) mit der kleinsten Anzahl von in Serie geschalteten Verbrauchern (Li) abgeschaltet wird.
Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sk), die Steuerung und/oder die Temperaturüberwachungseinrichtung in einen Chip integriert sind.