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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines LED-Leuchtmittels mit mehreren LEDs, bei dem die Helligkeit der LEDs mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) der Betriebsstromstärken der LEDs geregelt wird, eine für das Verfahren geeignete Steuereinheit und ein LED-Leuchtmittel mit einer derartigen Steuereinheit.
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Die Pulsweitenmodulation ist ein an sich bekanntes Verfahren zur Regelung der Helligkeit von LED-Leuchtmitteln. Die LEDs werden dabei mit einer rechteckförmig gepulsten Betriebsstromstärke betrieben, die eine feste Periodendauer T aufweist. Die reckeckförmige gepulste Betriebsstromstärke weist vom Beginn jeder Periodendauer T für einen Zeitraum t1 den Maximalwert auf und nimmt für den Rest der Periodendauer T den Wert 0 an. Das Verhältnis t1/T der Einschaltzeit t1 zur Periodendauer T wird als Tastverhältnis bezeichnet. Bei einer ausreichend hohen Frequenz der Pulsweitenmodulation, beispielsweise einer Frequenz von mehr als 100 Hz, ist die Modulation aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges nicht erkennbar, sodass eine mittlere Helligkeit der LEDs wahrgenommen wird, die von dem Tastverhältnis t1/T abhängt.
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Bei einem LED-Leuchtmittel mit mehreren LEDs, beispielsweise einem LED-Array, treten am Beginn jeder Periodendauer der Pulsweitenmodulation hohe Belastungen an der Stromquelle auf, da zu diesem Zeitpunkt alle LEDs eingeschaltet werden, die ein Tastverhältnis t1/T > 0 aufweisen. Insbesondere bei LED-Leuchtmitteln, die eine Vielzahl von LEDs aufweisen, müssen daher aufwändige Stromversorgungseinheiten verwendet werden, die der hohen Einschaltbelastung zum Beginn der Periodendauer standhalten. Dabei werden zum Beispiel spezielle Kondensatoren eingesetzt, die einen geringen Ersatzreihenwiderstand (ESR – Equivalent Series Resistance) aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines LED-Leuchtmittels mit mehreren LEDs anzugeben, bei dem das Problem der hohen Belastung der Stromquelle zu Beginn der Periodendauer der Pulsweitenmodulation vermindert ist. Weiterhin sollen eine für das Verfahren geeignete Steuereinheit und ein LED-Leuchtmittel mit einer derartigen Steuereinheit angegeben werden.
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Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Betrieb eines LED-Leuchtmittels mit mehreren LEDs, eine Steuereinheit für ein LED-Leuchtmittel mit mehreren LEDs und ein LED-Leuchtmittel mit mehreren LEDs gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei dem Verfahren zum Betrieb eines LED-Leuchtmittels mit mehreren LEDs wird die Helligkeit der LEDs mittels einer Pulsweitenmodulation der Betriebsstromstärken der LEDs geregelt. Jede der mehreren LEDs ist jeweils einer von mehreren Modulationseinheiten zugeordnet, wobei die Modulationseinheiten jeweils mit einer pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärke betrieben werden.
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Die Modulationseinheiten können jeweils eine oder mehrere LEDs umfassen. Eine Modulationseinheit ist eine LED oder eine Gruppe von LEDs, die mit der gleichen Betriebsstromstärke betrieben werden. Zu einer Modulationseinheit werden also LEDs zusammengefasst, die beim Betrieb des LED-Leuchtmittels die gleiche Helligkeit aufweisen sollen. Beispielsweise kann eine Modulationseinheit mehrere LEDs gleicher Farbe und/oder aus dem gleichen Segment eines LED-Arrays aufweisen.
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Die pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärken weisen jeweils die gleiche Periodendauer T auf. Die Periodendauer T ist vorzugsweise ausreichend klein, sodass die Pulsweitenmodulation der LEDs von einem menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden kann. Die Frequenz der Pulsweitenmodulation beträgt vorzugsweise mindestens 100 Hz, sodass die Periodendauer T vorzugsweise 10 ms oder weniger beträgt.
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Die pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärken weisen vorteilhaft untereinander Phasenverschiebungen ΔT auf. Vorzugseisweise ist 0 < |ΔT| < T, d. h. der Betrag der gegenseitigen Phasenverschiebungen beträgt einen Bruchteil der Periodendauer T.
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Dies hat den Vorteil, dass das Einschalten der pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärke bei den mehreren Modulationseinheiten nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt erfolgt. Mit anderen Worten bildet jede Modulationseinheit einen Pulsweitenmodulations-Kanal aus, wobei die Pulsweitenmodulations-Kanäle eine Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Dadurch, dass der Einschaltvorgang bei den mehreren Modulationseinheiten aufgrund der Phasenverschiebung zeitlich versetzt erfolgt, wird eine Wechselbelastung der Stromquelle vorteilhaft vermindert.
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Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die Modulationseinheiten mit zeitlich konstanten Phasenverschiebungen ΔT betrieben. Das heißt, dass jede der Modulationseinheiten eine festgelegte Phasenverschiebung ΔT gegenüber einer beispielsweise als Referenz fungierenden ersten Modulationseinheit aufweist, wobei sich die Phasenverschiebungen während des Betriebs nicht ändern.
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Bei einer Ausgestaltung sind die Phasenverschiebungen zwischen den Betriebsstromstärken zweier aufeinanderfolgender Modulationseinheiten jeweils gleich groß. Die LEDs können beispielsweise in eine Anzahl N Modulationseinheiten eingeteilt werden. N ist dabei eine ganze Zahl > 1. Für die Phasenverschiebung ΔT der pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärken zweier aufeinanderfolgender Modulationseinheiten gilt in diesem Fall bevorzugt jeweils ΔT = T/N.
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Wenn die LEDs beispielsweise in vier Modulationseinheiten eingeteilt sind, beträgt die Phasenverschiebung zwischen den mehreren Modulationseinheiten jeweils ΔT = T/4. Das heißt, dass der Einschaltvorgang beispielsweise bei einer ersten Modulationseinheit, die als Referenz angesehen wird, zum Zeitpunkt t = 0 der Periodendauer T erfolgt, bei der zweiten Modulationseinheit zum Zeitpunkt T/4, bei der dritten Modulationseinheit zum Zeitpunkt T/2 und bei der vierten Modulationseinheit zum Zeitpunkt 3/4 T. Jede der nebengeordneten Modulationseinheiten weist also eine Phasenverschiebung von T/N zur vorherigen Modulationseinheit auf, wobei N die Anzahl der Modulationseinheiten ist. Die Phasenverschiebung einer Modulationseinheit mit der Nummer n gegenüber einer ersten als Referenz betrachteten Modulationseinheit beträgt also (n – 1)·T/N mit n = 2 ... N.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die Modulationseinheiten derart betrieben, dass die pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärken zeitlich variierende Phasenverschiebungen ΔT aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung sind die Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Modulationseinheiten nicht von vornherein festgelegt, sondern werden von einer Steuereinheit zeitlich variabel geregelt, um in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsstromstärke der einzelnen Modulationseinheiten möglichst geringe Wechselbelastungen der Stromquelle zu erzielen.
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Die Phasenverschiebungen zwischen den mehreren Modulationseinheiten werden vorzugsweise derart geregelt, dass innerhalb der Periodendauer T eine möglichst gleichmäßige Belastung an der Stromquelle auftritt. Insbesondere werden bei dieser Ausgestaltung die Phasenverschiebungen ΔT in Abhängigkeit von den zeitlich variierenden Tastverhältnissen für die mehreren Modulationseinheiten geregelt.
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Die Phasenverschiebungen ΔT zwischen den Modulationseinheiten werden vorzugsweise von einer Steuereinheit erzeugt und/oder geregelt, wobei die Steuereinheit insbesondere einen Mikrocontroller und/oder ein FPGA (Field Programmable Gate Array) aufweisen kann.
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Bei der hierin beschriebenen Steuereinheit für ein LED-Leuchtmittel mit mehreren LEDs ist jede der mehreren LEDs jeweils einer von mehreren Modulationseinheiten zugeordnet, wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, die Modulationseinheiten jeweils mit einer pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärke zu betreiben, wobei die pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärken die gleiche Periodendauer T aufweisen, und die pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärken gegenseitige Phasenverschiebungen ΔT aufweisen, für die vorzugsweise wobei 0 < |ΔT| < T gilt.
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Bei einer Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, die Modulationseinheiten mit zeitlich konstanten Phasenverschiebungen ΔT zu betreiben. Insbesondere kann die Anzahl der Modulationseinheiten N betragen, wobei die zeitlich konstanten Phasenverschiebungen ΔT = T/N betragen. Die Anzahl der Modulationseinheiten kann beispielsweise zwischen einschließlich 3 und einschließlich 100 betragen.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, die Modulationseinheiten mit zeitlich variierenden Phasenverschiebungen ΔT zu betreiben. Insbesondere können die Modulationseinheiten beim Betrieb jeweils zeitlich variierende Tastverhältnisse aufweisen und die Steuereinheit dazu konfiguriert sein, die Phasenverschiebungen ΔT in Abhängigkeit von den Tastverhältnissen zu regeln.
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Die Steuereinheit umfasst vorzugsweise ein Mikrocontroller und/oder ein FPGA.
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Es wird weiterhin ein LED-Leuchtmittel mit mehreren LEDs angegeben, das die zuvor beschriebene Steuereinheit umfasst. Die Steuereinheit ist vorzugsweise in das LED-Leuchtmittel integriert. Beispielsweise kann die Steuereinheit auf einer Leiterplatte des LED-Leuchtmittels angeordnet sein. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Steuereinheit und des LED-Leuchtmittels ergeben sich aus dem zuvor beschriebenen Verfahren und umgekehrt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert.
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ES zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines LED-Leuchtmittels mit einer Steuereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 eine schematische grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Betriebsstromstärken bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betrieb des LED-Leuchtmittels, und
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3 eine schematische grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Betriebsstromstärken bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betrieb des LED-Leuchtmittels.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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In 1 ist ein LED-Leuchtmittel 6 in Form eines LED-Arrays dargestellt. Das LED-Leuchtmittel 6 weist zum Beispiel 16 LEDs 5 auf, die in vier Zeilen mit jeweils vier LEDs 5 angeordnet sind. Die Helligkeit der LEDs 5 wird beim Betrieb des LED-Leuchtmittels 6 mittels einer Pulsweitenmodulation der Betriebsstromstärken der LEDs 5 geregelt. Jede der mehreren LEDs 5 ist jeweils einer von mehreren Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 zugeordnet, wobei die Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 jeweils mit einer pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärke In(t) (n = 1 ... 4) betrieben werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bildet jeweils eine Zeile des LED-Arrays 6 eine Modulationseinheit 1, 2, 3, 4 aus. In diesem Fall werden also die LEDs 5, die in der gleichen Zeile des LED-Arrays 6 angeordnet sind, jeweils mit der gleichen Betriebsstromstärke In(t) betrieben und weisen somit die gleiche Helligkeit auf. Alternativ könnte man die LEDs 5 aber auch in beliebiger anderer Weise einzelnen Modulationseinheiten zuordnen. Es ist auch möglich, dass einzelne LEDs 5 eine Modulationseinheit ausbilden, wenn gewünscht ist, dass die LEDs 5 einzeln ansteuerbar sind.
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Der zeitliche Verlauf der Betriebsstromstärken In(t) der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 wird von einer Steuereinheit 7 geregelt. Bei der Steuereinheit 7 handelt es sich vorzugsweise um einen Mikroprozessor. Die Steuereinheit 7 kann auch ein FPGA sein oder ein FPGA enthalten. Die Steuereinheit 7 ist bevorzugt auf einer Leiterplatte 9 des LED-Leuchtmittels 6 angeordnet. Zur Stromversorgung ist die Steuereinheit 7 beispielsweise an eine externe Stromquelle 8 angeschlossen.
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Der zeitliche Verlauf der pulsweitenmodulierten Betriebsstromstärken In(t) der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 bei einem Ausführungsbeispiel ist in 2 schematisch dargestellt. Jede der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 wird mit einer rechteckförmig modulierten Betriebsstromstärke In(t) mit einer Periodendauer T betrieben. Die rechteckförmig modulierten Betriebsstromstärken In(t) weisen während einer Periodendauer T jeweils für einen Bruchteil der Periodendauer einen Einschaltstrom Iein und für den Rest der Periodendauer T einen Ausschaltstrom Iaus auf, wobei vorzugsweise Iaus = 0 ist. Der Einschaltstrom Iein ist vorzugsweise für alle Modulationseinheiten gleich. Die Periodendauer T ist vorzugsweise derart klein, dass die zeitliche Fluktuation der Betriebsstromstärken für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist und somit eine Helligkeit wahrgenommen wird, die aus der über die Periodendauer gemittelten Betriebsstromstärke resultieren würde. Die Helligkeit der LEDs 5 wird daher durch das Tastverhältnis, d. h. durch das Verhältnis der Einschaltzeit zur Periodendauer, bestimmt.
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Die Betriebsstromstärken In(t) der mehreren Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 weisen untereinander vorteilhaft Phasenverschiebungen ΔT auf. Beispielsweise ist der Einschaltzeitpunkt der Betriebsstromstärke I2(t) bei der zweiten Modulationseinheit 2 um ΔT gegenüber dem Einschaltzeitpunkt der Betriebsstromstärke I1(t) der ersten Modulationseinheit 1 verschoben. In entsprechender Weise weist die Betriebsstromstärke I3(t) der dritten Modulationseinheit 3 eine Phasenverschiebung ΔT gegenüber der zweiten Modulationseinheit 2 und die Betriebsstromstärke I4(t) der vierten Modulationseinheit 4 eine Phasenverschiebung ΔT gegenüber der dritten Modulationseinheit 3 auf.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 sind die Phasenverschiebungen ΔT zwischen den Betriebsstromstärken In(t) der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 jeweils gleich groß. Da die Anzahl der Modulationseinheiten N = 4 beträgt, beträgt die Phasenverschiebung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Modulationseinheiten jeweils ΔT = T/N = T/4.
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Die Phasenverschiebungen ΔT zwischen den Betriebsstromstärken In(t) der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 werden mittels der Steuereinheit 7 erzeugt. Es ist vorteilhaft, wenn die beispielsweise durch eine geeignete Programmierung zur Erzeugung der Phasendifferenzen ΔT eingerichtete Steuereinheit 7 in das LED-Leuchtmittel 6 integriert ist, da das LED-Leuchtmittel 6 in diesem Fall an eine beliebige externe Stromquelle 8 angeschlossen werden kann, an der keine weiteren Vorkehrungen zur Erzeugung der Phasenverschiebungen ΔT erfolgen müssen. Die Phasenverschiebungen ΔT zwischen den Betriebsstromstärken In(t) der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 haben den Vorteil, dass die Einschaltzeitpunkte der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 während einer Periodendauer T zeitlich zueinander versetzt sind. Auf diese Weise wird eine hohe Wechselbelastung der Stromquelle 8, die sich ohne die Phasenverschiebungen ΔT jeweils zu Beginn einer Periodendauer T ergeben würde, vermindert.
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Die Phasenverschiebungen ΔT zwischen den Betriebsstromstärken In(t) der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 müssen nicht notwendigerweise gleich groß sein und können insbesondere auch während des Betriebs des LED-Leuchtmittels 6 zeitlich variieren. In 3 ist ein Beispiel des zeitlichen Verlaufs der Betriebsstromstärken In(t) dargestellt, bei dem zwischen den Betriebsstromstärken In(t) unterschiedlich große Phasenverschiebungen ΔT bestehen. Insbesondere kann, vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 7 die Phasenverschiebungen ΔT zwischen den Betriebsstromstärken In(t) der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 derart regelt, dass zum einen die Einschaltzeitpunkte möglichst gleichmäßig über die Periodendauern T verteilt sind und dass zum anderen eine möglichst gleichmäßige Belastung der Stromquelle 8 über den Verlauf der Periodendauern T auftritt. In diesem Fall regelt die Steuereinheit 7 die Phasenverschiebungen ΔT insbesondere in Abhängigkeit von den Tastverhältnissen der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4.
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Da bei einer zeitlich variierenden Beleuchtung die Tastverhältnisse der Modulationseinheiten 1, 2, 3, 4 zeitlich variabel sind, werden vorzugsweise auch die Phasenverschiebungen ΔT von der Steuereinheit 7 zeitlich variabel geregelt, sodass während des Betriebs des LED-Leuchtmittels 6 eine möglichst gleichmäßige Belastung der Stromquelle 8 auftritt.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
