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Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung mit einem Taktgenerator und einer Treiberschaltung zum getakteten Ansteuern mindestens einer Leuchtdiode.
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Aus der
DE 101 08 132 A1 ist eine Treiberschaltung zum Treiben eines spannungsempfindlichen Verbrauchers, nämlich einer oder mehrerer LEDs, von einem entfernt liegenden Steuergerät aus bekannt. Um Statussignale auswerten zu können, sind eine steuerbare Stromquelle und ein die Stromquelle ansteuerndes Regelelement mit einem ersten Eingang von einer vorgegebenen Referenzspannung und einem zweiten Eingang zur Zuführung der Regelspannung für den Verbraucher vorgesehen. Des Weiteren ist der Schrift zu entnehmen, dass solche Treiberschaltungen vorzugsweise bei Heckleuchten in Kraftfahrzeugen Anwendung finden, bei denen als elektrische Verbraucher Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt werden. Aus dieser Schrift ist es ferner bekannt, parallel zu der Reihenschaltung von LEDs einen Ohmschen Widerstand zu schalten. Aufgabe der enthaltenen zweiten Konstantstromquelle ist es, durch Anschalten an eine Testleitung über einen Transistor und einen Widerstand die LEDs auf Durchgang zu schalten und einen Messstrom geringer Größe im ausgeschalteten Zustand des Hauptschalters an die LED-Leuchte zu bringen, die die LEDs noch nicht zum Glimmen bringt, wohl aber an dem parallel zu den LEDs geschalteten Ohmschen Widerstand einen so deutlichen Spannungsabfall hervorruft, dass dieser auf der Statusleitung detektiert und ausgewertet werden kann. In der Open-Load-Ausfallsituation kann kein Strom mehr durch die LEDs fließen. Als direkte Folge fließt ein wesentlich geringerer Strom durch die Zuleitung und den parallelen Ohmschen Widerstand, wodurch das Potenzial am Ausgang des in die Testleitung geschalteten Widerstandes aufgehoben wird. Es ergibt sich also ein Fehlerpuls der Open-Load-Ausfallsituation in der Nähe der Referenzspannung z. B. von 5 V. Bei intakter Last stellt sich ein mittlerer Pegel ein und das Testsignal ist ein einfaches Rechtecksignal zwischen 0 und 5 V.
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Leuchtdioden haben eine Strom-Spannungskennlinie, die der einer Zenerdiode ähnlich ist. Bis zu einer bestimmten Spannung fließt kein Strom und es gibt folglich auch keine Lichtaussendung. Wird diese Spannung dann überschritten, steigt der Strom stark an und die LED beginnt zu leuchten. In den meisten Fällen werden LEDs über einen Vorwiderstand betrieben, der den Strom durch die LEDs für eine bestimmte Versorgungsspannung bestimmt. Solange die Versorgungsspannung konstant bleibt, ist auch der Strom durch die LEDs konstant. Die Helligkeit der LED-Leuchte entspricht dann den gesetzlichen Anforderungen. Im Kraftfahrzeug-Bordnetz schwankt die Versorgungsspannung bekanntlich bei 12 V Betriebsspannung (Nennspannung) zwischen 9 V und 16 V und kann in Ausnahmefällen, bei denen ein Fahrzeug, das mit einem externen Netzgerät ausgestattet ist, sogar 32 V erreichen. Solange daher nur ein Vorwiderstand in Reihe mit den LEDs geschaltet wird, würde eine solche Schaltung nicht hinnehmbare Helligkeitsschwankungen bei Schwankungen der Versorgungsspannung zur Folge haben. Dies kann auch eine Zerstörung der LEDs zur Folge haben, die aus Effektivitätsgründen bei einer Normalspannung von 12 V bereits nahe ihrer Belastungsgrenzen betrieben werden. Bei höheren Betriebsspannungen (Nennspannungen) eines Bordnetzes, z. B. 24 Volt, sind die gleichen Verhältnisse gegeben.
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Bei allen bekannten Schaltungen erfolgt die Stromversorgung der LEDs grundsätzlich über Konstantstromregler, so auch in der vorzitierten Patentanmeldung, oder über veränder- und einstellbare Spannungsregler.
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Aus
DE 100 51 528 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung offenbart. Die Beleuchtungseinrichtung besteht aus einer Versorgungseinrichtung, die zur Bereitstellung von elektrischer Versorgungsspannung einen Leistungsausgang aufweist und zusätzlich einen Signaleingang hat. Es ist wenigstens ein Leuchtmodul vorhanden mit mindestens einer Lichtquelle, wobei eine Codiereinrichtung vorgesehen ist, die zur Steuerung der Versorgungseinrichtung mit deren Signaleingang verbunden ist.
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Aus
US 6,362,578 B1 sind eine Leuchtdiodentreibereinheit und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben der Leuchtdiodeneinheit offenbart. Hierbei wird einem jeden Leuchtdiodenfeld ein eigener Transistor zugewiesen. Es ist eine Pulsweitenmodulationssteuereinheit vorgesehen, welche mittels einer vorgesehenen Eingabeschnittstelle auf eine gewünschte Ausgangsstellung einstellbar ist, über welcher die Pulsweite des Modulationssignals anpassbar ist, worüber die Helligkeit der Dioden einstellbar ist.
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Aus der
DE 101 14 124 A1 , der
EP 1 517 588 A1 und der
EP 1 411 750 A2 ist es bekannt, Leuchtdioden an einer einstellbaren Konstantstromquelle zu betreiben, deren Sollwert abhängig von einem der Leuchtdiode parallel geschalteten Widerstand ermittelt wird. Aus der
EP 1 411 750 A2 geht hervor, dass eine Konstantspannungsquelle mit einem Vorwiderstand eingesetzt werden kann. Aus der
US 5,783,909 A ist eine helligkeits- bzw. temperaturabhängige Steuerung des Lastverhältnisses abhängig von einem Helligkeits- oder Temperatursensor bekannt.
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Aus
DE 10 2005 001 024 A1 ist eine Tastatureinheit bekannt, welche eine Mehrzahl von Eingabetasten, einen ersten und einen zweiten Anschluss für eine externe Spannung und eine Widerstandskette aufweist. Bei Betätigung einer Eingabetaste wird ein für die Eingabetaste charakterisierender Teil der Widerstandskette zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss eingeschleift. Jeder Eingabetaste ist ein charakterisierender Widerstandswert zugeordnet. Weiter umfasst die Tastatureinheit einen zwischen den ersten und den zweiten Anschluss geschalteten Verbraucherstrompfad, welcher einen Verbraucher sowie einen spannungsgesteuerten Schalter umfasst, der den Verbraucherstrompfad in Abhängigkeit von der Höhe der externen Spannung ein- oder ausschaltet.
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Aus
DE 10 2004 003 698 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leuchtmitteln, insbesondere Licht emittierenden Dioden, in einem Bediengerät eines Kraftfahrzeuges bekannt. Das mindestens eine Leuchtmittel ist in einen Schaltkreis mit einem Halbleiter-Bauelement eingebunden. Außerdem ist ein Mikroprozessor, insbesondere mit einem integrierten nicht flüchtigen Speicher, zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals vorhanden. Das pulsweitenmodulierte Signal ist mit einer Steuerelektrode des Halbleiter-Bauelementes verbunden, wobei der Mikroprozessor mindestens zwei pulsweitenmodulierte Signale erzeugt und die pulsweitenmodulierten Signale über eine Logik mit dem Halbleiterbauelement verschaltet sind. Die Logik ist über den Mikrocomputer mit einem zusätzlichen Steuersignal beaufschlagbar.
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Ausgehend vom bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für die LED ein anderes Ansteuersystem vorzusehen, das auch bei Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle eine gleichbleibende Helligkeit der LED oder der LEDs sicherstellt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch Ausgestaltung der Ansteuerschaltung nach den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Während bei der bekannten Schaltungsanordnung die Stromversorgung der LEDs über eine Konstantstromquelle erfolgt, ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die Leuchtdiode oder die in Serie geschalteten Leuchtdioden einer Kette mit einer einschaltbaren Konstantspannungsquelle verbunden sind, während der Strom variieren kann.
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Die Verwendung der Konstantspannungsquelle als Versorgungsquelle hat den Vorteil, dass aus einer Quelle mehrere parallele Zweige von Leuchtdioden versorgt werden und diese unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden können. Die Ausgangsspannung bleibt dabei konstant.
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Des Weiteren bietet sie, im Falle, dass sie einstellbar oder umschaltbar ist, die Möglichkeit von derselben Konstantspannungsquelle die Messspannung während der Sperrphase der Leuchtdiode eine Messung an dem parallelen Widerstand anzulegen. Hierzu ist vorgesehen, dass in Reihe mit dem parallel zur Leuchtdiode geschalteten Messwiderstand ein Widerstand zu schalten ist, wobei die Konstantspannungsquelle derart einstellbar oder umschaltbar ist, dass von einem in Reihe mit dem parallel zur Leuchtdiode geschalteten Messwiderstand, der mit dem Reihenwiderstand eine Messbrücke bildet, von der gesperrten Leuchtdiode während einer definierten Messperiode eine unterhalb der Flussspannung der Leuchtdiode liegende Spannung von der einstellbaren Konstantspannungsquelle anlegbar ist und von der Messbrücke eine Messspannung während der Messperiode abgreifbar ist, die eine Auswerteschaltung veranlasst, die Konstantspannungsquelle auf eine bestimmte Flussspannung und das Impulstaktverhältnis des Taktgenerators derart einzustellen, dass die Lichtstärke der Leuchtdiode oder der Leuchtdioden nahezu konstant ist.
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Die einzelnen Leuchten, z. B. Leuchten an Kraftfahrzeugen, können mehrere Dioden aufweisen, z. B. die Rückleuchten, um eine ausreichende Lichtstärke zu erzeugen, damit der nachfolgende Verkehrsteilnehmer auf die Rückleuchten aufmerksam wird. Die Leuchtdioden sind dann in Gruppen in Reihe geschaltet. Die Links/Rechts-Leuchten werden vom entfernten Steuergerät angesteuert. Die Steuerschaltung selbst kann dabei ebenfalls in dem Steuergerät integriert oder aber im Bereich der Leuchte oder in der Leuchte selbst angeordnet sein. Des Weiteren kann der Parallelwiderstand die gesamte Gruppe der Leuchtdioden überspannen und ebenfalls parallel zu dem eventuell vorgesehenen Vorwiderstand vorgesehen sein.
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Der Parallelwiderstand kann auch ein NTC-Widerstand oder thermischer Widerstand sein. Die Verwendung eines solchen hat den Vorteil, dass Erwärmungen erfasst und beim Tastverhältnis berücksichtigt werden können.
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Die Steuerschaltung kann grundsätzlich so ausgelegt sein, dass hierüber auch verschiedene Lampen, auch Kombinationslampen, steuerbar sind. Um die Messwerte für die Regelung der getakteten Steuerung zu erfassen, ist es dann zweckmäßig, an mindestens einer LED-Anordnung einen Parallelwiderstand mit einer Messbrücke vorzusehen. Diese kann grundsätzlich aber auch bei anderen, gesondert anzuschaltenden einzelnen Gruppen von LEDs angeordnet oder vorgesehen sein. In Abhängigkeit des Messwertes wird in bekannter Weise dann das Tastverhältnis der Ansteuerimpulse für den Normalbetrieb geregelt, während die Konstantspannungsquelle jeweils zwischen Normalversorgungsbetrieb und Messbetrieb auf unterschiedliche Spannungswerte umgeschaltet wird. Um die getaktete Ansteuerung der LEDs und der Messbrücke zu ermöglichen, können parallel zum Fußpunktwiderstand der jeweiligen Messbrücke ein elektronischer Schalter zum getakteten Leitendschalten sowie in Reihe mit der Leuchtdiode oder mit der Leuchtdiodenanordnung ein solcher Schalter vorgesehen sein.
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Die vorteilhaften Ausgestaltungsformen der Steuerschaltung sind in den Unteransprüchen im Einzelnen angegeben, ebenso vorteilhafte Einsätze in Lampen und Leuchten. Um eine gleiche Helligkeit aller LEDs, insbesondere in parallel geschalteten LEDs, zu erreichen, ist es zweckdienlich, angepasste oder einstellbare Widerstände in Reihe mit den Dioden zu schalten und diese in Abhängigkeit von der gemessenen Lichtstärke einzustellen. Eine Möglichkeit besteht darin, ausgewählte Vorwiderstände oder durch Laser abgleichbare Widerstände mit den LEDs zu kombinieren, was beispielsweise aus der
DE 100 37 420 A1 bekannt ist. Auch lassen sich hierdurch Abgleiche auf LEDs mit unterschiedlichen Eigenschaften und Farben auf einfache Weise realisieren.
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Die Anordnung der Einstellwiderstände parallel zur LED-Verschaltung ermöglicht die Trennung von Ansteuerelektronik und LED-Träger ohne zusätzlichen Verdrahtungsaufwand. Durch die Trennung der Applikationen wird die Flexibilität in Bezug auf Integration, Montage, Platzbedarf, Leitungsverlegung und Wiederverwertbarkeit durch Nutzung der Ansteuerung mit verschiedenen LED-Anordnungen erhöht. Aus diesem Grunde kann die Steuerschaltung in das zentrale Steuergerät verlegt werden. Sie kann aber auch in unmittelbarer Nähe der Leuchtdioden angeordnet sein.
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Der parallele Messwiderstand kann parallel zu einer einzigen Diode auch dann geschaltet sein, wenn in Reihe mehrere Dioden geschaltet sind. Der parallele Einstellwiderstand kann auch den Vorwiderstand und eine LED überbrücken oder aber auch den Vorwiderstand sowie eine Reihe von LEDs. Bei der Anordnung und Auswahl des Einstellwiderstandes parallel zur LED muss berücksichtigt werden, dass der Einstellwiderstand in einem Bereich gemessen werden kann, in dem der Widerstandsstrom deutlich höher ist als der Strom im Sperrbereich der LED. Das Vorhandensein von Vorwiderständen stellt kein prinzipielles Problem dar. Eine Beeinflussung muss jedoch verhindert werden. An Stelle eines Festwiderstandes als Einstellwiderstand kann auch ein variabler Widerstand eingesetzt werden, so dass sich hierüber veränderliche Größen an den LEDs messen lassen.
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Bei dem Einsatz von temperaturabhängigen Widerständen, wie NTCs kann die Temperatur der LEDs erfasst werden. Dabei wird für die Messung die LED kurz abgeschaltet und in der Aus-Phase der Widerstand gemessen. Dadurch lassen sich leicht Überhitzungen feststellen. Bei dem Einsatz von lichtempfindlichen Widerständen kann die Umgebungshelligkeit und/oder die Helligkeit paralleler LED-Zweige gemessen werden. Damit kann auch eine Nachführung des LED-Lichtstroms über die Lebensdauer und/oder in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erfolgen. Wenn LED Arrays verwendet werden, wird für die Einstellung der Parameter nur ein Einstellwiderstand benötigt, dann können die weiteren Einstellwiderstände für weitere Funktionen verwendet werden. Der Schalter zur Steuerung der Messbrücke kann auch im parallelen Zweig vorgesehen sein. Ebenso können verschiedene Messwiderstände parallel geschaltet sein, die unterschiedlich geschaltet werden, um unterschiedliche Messspannungswerte von der Auswerteschaltung in der Steuerschaltung erfassen zu können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ergänzend erläutert.
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1 zeigt in Form eines vereinfachten Schaltbildes eine Steuerschaltung mit Messschaltung nach der Erfindung. Abgesetzt von der Leuchte ist eine einstellbare Konstantspannungsquelle 1 vorgesehen, die beispielsweise im zentralen Steuergerät selbst oder in einem leuchtennahen Steuergerät integriert sein kann. Mit der Konstantspannungsquelle 1 ist über eine Verbindung 2 die Leuchtenanordnung mit LEDs verbunden. Die erste Leuchtenanordnung besteht aus einer Leuchtdiode 3, mit der in Reihe ein Vorwiderstand 4 geschaltet ist. Die parallel geschaltete zweite Leuchtenanordnung besteht ebenfalls aus einer Leuchtdiode 3 mit Vorwiderstand 4, falls erforderlich. Die Vorwiderstände 4 sind so abgeglichen, dass die Leuchtdioden 3 gleiche Helligkeit, also Lichtstärke, aufweisen, wenn sie von dem Betriebsstrom beim Leuchten durchflossen werden. Parallel zu der Anordnung der ersten Gruppe, nämlich Leuchtdiode 3 und Widerstand 4, ist ein erster Messwiderstand 5 parallel geschaltet. Ebenso sind ein Messwiderstand 6 und eine Reihe hierzu angeordneter Schalter 7, der ein elektronischer Schalter sein kann, bei der zweiten Leuchtdiodenschaltung vorgesehen.
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Die Messbrücke der ersten Leuchtenanordnung wird aus dem parallelen Messwiderstand 5 und dem gegen Masse geschalteten Widerstand 8 gebildet. In Reihe mit dem Widerstand 8 ist ein elektronischer Schalter 9 geschaltet, der von der Steuerschaltung 10 während der Messphase eingeschaltet wird. Die Messphase erfolgt im Sperrbereich der Leuchtdiode 3. Das Messergebnis wird vom Widerstand 8 abgegriffen und der Auswerteschaltung 11 zugeführt, die wiederum das Tastverhältnis für die Ansteuerung der Leuchtdiode 3 in Abhängigkeit des Messwertes verändert. Die Leuchtdiode 3 erhält ihren Betriebsstrom entsprechend dem Tastverhältnis bei gleichzeitigem Schließen des Schalters 12 und bei geöffnetem Schalter 9. Dieses Messprinzip mit der Einstellung der Betriebsparameter kann für eine beliebige Anzahl von LED Anordnungen parallel erfolgen. Werden für die Einstellung der Betriebsparameter nicht alle Messwiderstände benötigt, da sich die Parameter in den einzelnen Gruppen gleichen, können die Messwiderstände der weiteren LED-Anordnungen für weitere Funktionen genutzt werden.
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Eine gleiche Steuerung bewirkt auch die Steuerschaltung 13, die die zweite Gruppe ansteuert. Auch dort sind ein Schalter 9 in der Messbrücke, bestehend aus dem parallelen Widerstand 6 und dem gegen Masse geschalteten Widerstand 8, und ein Schalter 12 angeordnet, der eingeschaltet ist, wenn der Betriebsstrom durch die Leuchtdiode 3 fließt. Zusätzlich ist hier ein Schalter 7 im Parallelzweig eingezeichnet, wodurch verdeutlicht werden soll, dass dann, wenn mehrere Parallelwiderstände angeordnet sind, die einzelnen Parallelwiderstände wahlfrei zu- oder abschaltbar sind.
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Der Messwert gibt in dieser Messanordnung die jeweilige Schalterstellung wieder, wodurch z. B. abgesetzte Bedieneinheiten mit Funktionsleuchtung bei geringem Verdrahtungsaufwand realisiert werden können.
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Die Funktion der Schaltung ist Folgende:
Im LED-Betrieb wird die Vorsorgungsspannung Out auf eine für die LEDs notwendige Spannung angehoben. Mittels der Schalter 12 werden die LEDs eingeschaltet. Durch das dadurch entstehende Pulsweitenverhältnis (PWM-Verhältnis) kann die Helligkeit der Dioden 3 eingestellt werden. Zur Messung der Messwiderstände 5 und 6 wird die Versorgungsspannung hingegen auf einen Wert unterhalb der Flussspannung der LEDs reduziert. Bei nun geschlossenen Schaltern 9 und geöffneten Schaltern 12 kann der Messwiderstand über einen Spannungsteiler der Messbrücke gemessen werden. Die Betriebszustände sind veranschaulicht in 2. Die Nutzung nur einer Spannungsquelle, die umschaltbar und zugleich eine Konstantspannungsquelle ist, wird zudem sichergestellt, dass auch bei unterschiedlichen Charakteristika der LEDs keine der LEDs während der Messung leuchtet.
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Dadurch können nicht erforderliche Messwiderstände entfallen, z. B. braucht nur in einem Zweig gemessen werden. Dies setzt allerdings voraus, dass die Vorwiderstände so angepasst sind, dass unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Lichtstärken der Dioden eine gleiche Helligkeit aller Leuchtdioden und Leuchten gegeben ist. Auch können Schaltzustände (Schalter 7) ermittelt werden oder Widerstandswerte mit hoher Varianz, wie Temperaturwiderstände mit mehreren 100 kOhm bei tiefen Temperaturen und 1 kOhm bei hohen Temperaturen, in Parallelkreisen gesteuert einschaltbar vorgesehen sein.
