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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Funktionsüberwachung
von Leuchtdioden, welche Leuchtdioden zur Erzeugung von einer oder mehreren
Lichtfunktionen eines Kraftfahrzeugscheinwerfers vorgesehen sind,
wobei die Leuchtdioden vorzugsweise mittels Konstantstrom betrieben
sind, wobei die Leuchtdioden in zwei parallel zueinander geschalteten
LED-Strängen angeordnet sind, und wobei in jedem LED-Strang – bei
zwei oder mehr Leuchtdioden in einem Strang – diese zwei
oder mehreren Leuchtdioden des Stranges in Serie geschaltet sind,
und wobei jedem LED-Strang aus Leuchtdioden je zumindest ein Schalter
vorgeschaltet ist.
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Um
die gesetzlichen Lichtwerte und Lichtverteilungen bzw. Designvorgaben
für KFZ-Beleuchtungseinrichtungen zu erreichen, werden
oftmals mehrere Leuchtdioden (LED) für eine Lichtfunktion benötigt.
Ist die Summe der Flussspannungen der LEDs größer
als die untere Betriebsspannungsgrenze (typisch 9 V), so existieren
2 Lösungsmöglichkeiten für die Anordnung
der LEDs. Bei der einen Variante in Form eines getakteten Schaltwandlers
können alle LEDs in einer Reihenschaltung angeordnet werden.
Der Ausfall einer LED durch Unterbrechung (die jeweiligen Leuchtdiode
weist im Bereich ihrer typischen Flussspannung keine leitende Verbindung auf)
bedingt einen Ausfall aller LEDs, diese Variante ist allerdings
kosten- und entwicklungsintensiv im Vergleich zu einem linearen
Betrieb, außerdem sind EMV-Maßnahmen notwendig.
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Die
andere, zweite Variante besteht in der Aufteilung der LEDs in 2
Stränge bei linearem Betrieb. Entsprechende Bestimmungen
(z. B. ECE Einzelbestimmungen für Signalleuchten) sehen
allerdings vor, dass bei Ausfall einer LED (n-1 Regel) die vorgeschriebenen
Lichtwerte noch zu erfüllen sind, alternativ kann auch
die gesamte Leuchteinheit abgeschaltet werden.
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Aus
der
AT 005 190 U1 ,
der
EP 1 145 904 A2 sowie
der
DE 102 36 862
A1 sind eingangs erwähnte Schaltungsanordnungen
bekannt, bei welchen zwei oder mehr parallele LED-Strange vorgesehen
sind sowie Schalter zum Abschalten aller Stränge für
den Fall, dass in einem Strang eine LED ausfällt. Sowohl in
der
AT 005 190 U1 als
auch der
DE 102 36
862 A1 ist dabei jedem Strang ein Stromüberwachungsmittel zugeordnet,
und bei Ausfall eines Stranges werden auch die anderen Stränge
stromlos geschaltet bzw. der Strom wird in allen Strängen
unterbrochen.
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Bei
der aus der
EP 1 145
904 A2 bekannten Lösung übernehmen bipolare
Stromquellentransistoren die Abschaltfunktion im Störfall.
Mittels einer Referenzspannung werden die Basen der Transistoren auf
ein definiertes Potential gelegt. Bei Ausfall eines Transistors ändert
sich diese Referenzspannung, wodurch die anderen Transistoren ebenfalls
gesperrt werden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, für die oben genannte zweite
Variante einer Anordnung von Leuchtdioden eine kostengünstige
und einfache Lösung zur Funktionsüberwachung der
Leuchtdioden zu finden, bei welcher außerdem existierende
Vorschriften eingehalten werden.
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Diese
Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Schaltungsanordnung
dadurch gelöst, dass es sich erfindungsgemäß bei
den Schaltern jedes LED-Stranges um Feldeffekttransistoren mit einem Gate-Anschluss
handelt, und wobei die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren
jeweils mit dem Nachbar-LED-Strang so verschaltet ist, dass im Falle eines
Ausfalls einer Leuchtdiode eines Stranges durch Unterbrechung der
Stromfluss durch den anderen LED-Strang gesperrt wird.
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Die
Verwendung von Feldeffekttransistoren, welche vorzugsweise von jenem
Typ sind, der einen durch einen Isolator getrennten Gate aufweist,
erlaubt es, die Bauteile so zu dimensionieren, dass die Feldeffekttransistoren
im normalen Betrieb durchgeschaltet sind und sich bei Unterbrechung
eines Stranges die Spannungsverhältnisse gegeneinander
derart ändern, dass der andere Strang gesperrt wird.
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Mit
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird
erreicht, dass einerseits bei einem Ausfall einer LED auch die anderen
LEDs abgeschaltet werden, andererseits reduziert sich die Gesamtstromaufnahme
auf ein Minimum, was messtechnisch einfach durch fahrzeugseitige
Strommessung, ohne zusätzliche Steuer- bzw. Diagnoseleitung
erfasst werden kann. Entsprechend kann der Ausfall einer LED durch
Unterbrechung einfach und unmittelbar erkannt werden.
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Der
Mehraufwand durch die Funktionsüberwachung liegt deutlich
unter dem Preis einer zusätzlichen LED und bietet eine
technisch und optisch „saubere” Lösung
für die oben erwähnten Forderungen.
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Gegenüber
der
AT 005 190 U1 und
der
DE 102 36 862
A1 ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass eine automatische
Abschaltung des zweiten Stranges ohne zusätzliche Überwachungsmittel, Steuerleitungen
etc. möglich wird.
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Im
Vergleich zu der
EP
1 145 904 A2 ergibt sich eine verbesserte elektrische Steuerbarkeit
und daraus resultierend eine verminderte Leistungsaufnahmen gegenüber
dem Fall bei Verwendung bipolarer Transistoren, außerdem
ist kein Steuerstrom notwendig.
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Bei
einer konkreten vorteilhaften Variante sind die Schalter in Form
von je einem p-Kanal-MOSFET ausgebildet und jeweils der Gate-Anschluss
des einen p-Kanal-MOSFETs ist mit dem Drain-Anschluss des anderen
p-Kanal-MOSFETs verbunden.
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Bei
einer weiteren konkreten Variante sind die Schalter in Form von
je einem n-Kanal-MOSFET ausgebildet, wobei jeweils der Gate-Anschluss
des einen n-Kanal-MOSFETs mit dem Source-Anschluss des anderen n-Kanal-MOSFETs
verbunden ist.
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Wegen
der größeren Vielfalt und der leichteren elektrischen
Steuerbarkeit sind MOSFETs die heute mit großem Abstand
am meisten produzierten Transistoren, mit welchen sich auch komplexe,
integrierte Schaltungen mit einer deutlich reduzierten Leistungsaufnahme
realisieren lassen.
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Schließlich
ist bei einer konkreten Variante vorgesehen, dass jeder LED-Strang
von einer eigenen Konstantstromquelle mit Konstantstrom versorgt ist.
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Bei
einer Stromquelle wurde sich der Strom nicht gleich aufteilen (aufgrund
von unterschiedlichen Flussspannungen), es wären somit
zusätzliche Bauteile zur Regelung notwendig. Mit einer
Stromquelle pro Strang kann dies verhindert werden.
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Im
Folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung näher
erläutert. In dieser zeigt
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1 eine
prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung,
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2 eine
detaillierte Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung,
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3 eine
Schaltungsanordnung nach 2 unter Verwendung von p-Kanal-MOSFETs,
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4 eine
detaillierte Prinzipskizze einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung, und
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5 eine
Schaltungsanordnung nach 4 unter Verwendung von n-Kanal-MOSFETs.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Betriebsüberwachung
von mehreren LEDs LED1, LED2, LED3, LED4 besteht, wie in den Figuren
zur erkennen ist, aus 2 LED-Strängen, wobei jeder LED-Strang
jeweils ein oder mehrere LEDs aufweist. Im Falle von mehreren LEDs
pro LED-Strang sind diese zueinander in Serie geschaltet, die beiden Stränge
selbst sind zueinander parallel geschaltet. In den Figuren sind
der Einfachheit halber jeweils genau 2 LEDs pro Strang gezeigt,
es kann aber jeder Strang auch nur eine, aber auch mehrere LEDs
aufweisen, und auch die Anzahl der LEDs in den beiden Strängen
kann unterschiedlich sein.
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Die
prinzipielle Ausgestaltung der Erfindung ist nun in 1 dargestellt.
Die beiden LED-Strange mit den Leuchtdioden LED1, LED2, LED3, LED4
werden mittels einer linear geregelten Konstantstromquelle IQK mit
Konstantstrom betrieben. Zwischen Konstantstromquelle IQK und den
Leuchtdioden ist ein Schaltelement UMS angeordnet. Im Normalbetrieb,
wenn alle LEDs einwandfrei funktionieren, werden beide Stränge
mit Konstantstrom versorgt, alle LEDs leuchten.
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Fällt
nun eine LED in einem Strang durch Unterbrechung aus, so erkennt
dies das Umschaltelement und unterbindet die Versorgung des anderen Stranges
mit Konstantstrom, sodass auch in diesem Strang die LEDs nicht mehr
leuchten.
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Bei
einer konkreten Ausgestaltung, deren Prinzip in 2 dargestellt
ist, ist für jeden Strang eine eigene Konstantstromquelle
SQ1, SQ2 vorgesehen sowie ein Schalter S1, S2 pro Strang. Jeder Schalter
S1, S2 ist weiters mit dem anderen LED-Strang verschaltet, derart,
dass bei einem Ausfall einer LED in einem Strang, z. B. der LED2
im ersten Strang der zweite Schalter S2 umgeschaltet wird und dann
den Stromfluss in den zweiten Strang sperrt, sodass auch diese LEDs
nicht mehr leuchten.
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Eine
konkrete Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung nach 2 ist
in 3 dargesellt.
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Die
LEDs werden aus 2 linear geregelten Konstantstromquellen (SQ1, SQ2
in 2) R1, D1, T1, R2; R1, D1, T2, R5 gespeist. Zwischen
jede Konstantstromquelle und den davon versorgten LED-Strang ist
ein Schalter (S1, S2 in 2) in Form eines p-Kanal-MOSFETs
Q1, Q2 geschaltet.
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Der
MOSFET Q1 des ersten LED-Stranges ist mit seinem Source-Anschluss
S an die erste Konstantstromquelle R1, D1, T1, R2 und mit seinem Drain-Anschluss
D mit dem ersten LED-Strang (LED1, LED2) verbunden, der MOSFET Q2
des zweiten LED-Stranges (LED3, LED4) mit seinem Source-Anschluss
S an die zweite Konstantstromquelle R1, D1, T2, R5 und mit seinem
Drain-Anschluss D mit dem zweiten LED-Strang LED3, LED4 verbunden.
Der Gate-Anschluss G des ersten/zweiten MOSFET Q1; Q2 ist jeweils
mit dem Drain-Anschluss D des zweiten/ersten MOSFET Q2; Q1 verbunden.
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Die
MOSFETs Q1, Q2 sind sollten mit niedriger Gate-Source-Threshold-Spannung
gewählt werden, um den Konstantstromregelungsbereich nicht unnötig
einzuschränken. Die Widerstände R6 und R7 dienen
der Leistungsbegrenzung an den Transistoren T1, T2 Abhängig
vom Versorgungsspannungsbereich und von den Flussspannungen der
LEDs kann eine unterschiedliche Anzahl an LEDs pro LED-Strang eingesetzt
werden.
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Der
Gate-Anschluss G der beiden p-Kanal-MOSFETs Q1, Q2 ist mit dem Nachbar-LED-Strang
so verschaltet, dass bei Ausfall einer LED in einem Strang mit Unterbrechung
der Nachbarstrang abgeschaltet wird. Die Gesamtstromaufnahme reduziert
sich dadurch auf ein Minimum und kann mittels Strommessung fahrzeugseitig,
ohne zusätzliche Steuerleitung, erfasst werden.
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Im
Fehlerfall, nämlich Ausfall einer LED durch Unterbrechung,
sorgen dabei die Widerstände R3 bzw. R4 für ein
definiertes Potential am Gate G der MOSFETs Q1 bzw. Q2. Im Falle
der Unterbrechung einer LED in einem Strang wird über die
MOSFETs auch der Stromfluss durch den anderen Strang gesperrt, sodass
keine der Leuchtdioden mehr leuchtet. Die Widerstände R3,
R4 sind hochohmig zu wählen, um ein Restglimmen der LEDs
zu vermeiden. Die Reststromaufnahme liegt unter 10 mA. Somit kann der
Ausfall der LEDs fahrzeugseitig über Strommessung, ohne
eine zusätzliche Signalleitung erkannt werden.
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Der
MOSFET wird über die Gate-Source-Spannung angesteuert.
Bei einer konkreten Ausführungsform entsprechend der Darstellung
sperrt bis zu einer Gate-Spannung von –0,2 (relativ zur Source-Spannung)
der MOSFET komplett, danach wird er mit steigender Spannung immer
besser leitend. Bei einer Gate-Source-Spannung von –0,5
V erreicht sein Innenwiderstand sein Minimum (je nach Typ einige
10 oder einige 100 Milliohm), d. h. der MOSFET schaltet durch und
der Strom fließt durch die LEDs, die LEDs in beiden Strängen
leuchten somit. Spannungswerte und Innenwiderstand sind stark von
den verwendeten Typen abhängig, die genannten Zahlen stellen
daher nur ein Beispiel dar.
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Wenn
eine LED durch Unterbrechung ausfällt, fließt
in jenem Zweig, in dem die LED ausgefallen ist, kein Strom mehr.
Die Gate-Source-Spannung des gegenüberliegenden MOSFET
ist nun nicht mehr negativ sondern geht ins Positive, deshalb sperrt
dieser MOSFET. Folglich leuchten die LEDs im anderen Zweig auch
nicht mehr.
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4 (Prinzip)
und 5 (Detail) zeigen noch eine Variante vergleichbar
mit jener aus 2 bzw. 3, wobei
hier an Stelle von p-Kanal-MOSFETs n-Kanal-MOSFETs verwendet werden.
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Von
der grundsätzlichen Funktionsweise besteht kein Unterschied
zwischen der Variante mit p- und n-Kanal-MOSFETs, lediglich die
Anordnung der Bauteile ist anders, damit die Schaltung mit n-Kanal-MOSFETs
entsprechend funktioniert.
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Werden
die Leuchtdioden mit gemeinsamer Kathode („Common Cathode”,
LEDs gegen Masse) eingebaut, so verwendet man p-Kanal-MOSFETs, baut
man die Leuchtdioden mit gemeinsamer Anode („Common Anode”,
LEDs gegen Versorgung) ein, so verwendet man n-Kanal-MOSFETs.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - AT 005190
U1 [0004, 0004, 0011]
- - EP 1145904 A2 [0004, 0005, 0012]
- - DE 10236862 A1 [0004, 0004, 0011]