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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung und eine Beleuchtungseinrichtung die mehrere Lichtquellen aufweist, wobei die Lichtquellen gemäß einer Eingangsspannung verschaltet werden können, und jede Lichtquelle einzeln geschaltet und gedimmt werden kann.
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Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung, die mehrere Lichtquellen aufweist, durch Messen einer Versorgungsspannung und Schalten der Lichtquellen in einen oder mehrere parallele Stränge in Abhängigkeit von der gemessenen Versorgungsspannung. Die Lichtquellen sind dabei in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung, die mehrere Lichtquellen aufweist, bei der eine Versorgungsspannung gemessen wird und die Lichtquellen in einen oder mehrere parallele Stränge in Abhängigkeit von der gemessenen Versorgungsspannung geschaltet werden. Die Lichtquellen sind dabei in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Beleuchtungseinrichtung.
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Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge weisen meist LEDs oder Laser-Dioden und Stromtreiber auf. Es bestehen verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für solche Beleuchtungseinrichtungen. Zum einen kann ein diskreter Aufbau von Dioden und Treiberbausteinen in einer oder mehreren Unterbaugruppen und zum anderen auch vollintegrierte Schaltkreise gewählt werden. Darüber hinaus sind auch Mischlösungen mit diskreten und vollintegrierten Schaltungselementen möglich.
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An Beleuchtungseinrichtungen werden speziell im Kraftfahrzeugbereich besondere Anforderungen gestellt. So sollen sie in der Regel nicht nur kostengünstig, sondern auch kompakt sein. Zusätzlich müssen sie aber auch robust sein und sollten möglichst wenige elektromagnetische Störungen verursachen.
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Treiber von Beleuchtungseinrichtungen im Kraftfahrzeugbereich müssen an Bordnetzen von Kraftfahrzeugen betrieben werden können. Diese schwanken typischerweise zwischen 9 V und 16 V. In Abhängigkeit von den jeweils aktiven Verbrauchern kann die Batterie- bzw. Bordnetzspannung mehr oder weniger weit einbrechen. Besonders markant ist die Bordnetzspannung beispielsweise beim Betrieb der Zündung bzw. des Anlassers. Am Ausgang des Treibers muss in jedem Fall ein konstanter oder in Abhängigkeit von Eingangsgrößen gesteuerter Strom geliefert werden.
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Als Treiber stehen beispielsweise geschaltete DC/DC-Wandler zur Verfügung. Diese sind in der Regel verhältnismäßig komplex und besitzen ein Gehäuse sowie eine entsprechende Verkabelung, was relativ bauraumintensiv sein kann. Aufgrund des getakteten Betriebs ist zusätzlich ein EMV-Schutz notwendig, der die Treiberkosten zusätzlich erhöht. Ihr Vorteil liegt allerdings darin, dass die elektrischen Verluste meist nur gering sind. Sie liegen beispielsweise bei 10% der Ausgangsleistung. Beim Betrieb von zwei Leuchtdioden beispielsweise, die jeweils eine Flussspannung von 3,5 V besitzen und mit einem Strom von 1 A versorgt werden, ergibt sich die Verlustleistung Pv = 2 × 3,5 V × 1 A × 10% = 0,7 W. Aufgrund ihres geringen Verlusts werden die Schaltwandler insbesondere für Lichtquellen mit hohem Lichtstrom, z. B. Abblendlicht und Fernlicht eingesetzt.
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Alternativ werden heute vielfach Linearregler oder sogenannte Widerstandsregler (Vorwiderstand in Serie zu einer LED an einer Spannungsquelle) als kostengünstigere Lösung mit geringeren Anforderungen eingesetzt. Sie verursachen verhältnismäßig geringe elektromagnetische Störungen. Ihr Anwendungsbereich ist heute jedoch durch ihre große Verlustleistung limitiert, die sich aus dem Produkt von Ausgangsstrom und Spannungsabfall ergibt. Werden die oben genannten zwei LEDs an einem Bordnetz mit einer Netzspannung von 13 V betrieben, so fällt an dem Treiber die Spannung 13 V – 2 × 3,5 V = 6 V ab. Die Verlustleistung beträgt demnach 6 V × 1 A = 6 W. Dennoch wäre es wünschenswert, solche Widerstands- und lineare Regler, die kleiner, billiger und störärmer als Schaltwandler sind, für Beleuchtungseinrichtungen insbesondere im Kraftfahrzeugbereich einsetzen zu können.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 201 766 A1 offenbart eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Halbleiterlichtquellen und einer Vorrichtung zum Betreiben der Halbleiterlichtquellen. Die Vorrichtung weist Schaltmittel auf, durch welche die Halbleiterlichtquellen gruppenweise für den Betrieb mit der Vorrichtung aufteilbar sind. Insbesondere erfolgt die Aufteilung in Abhängigkeit von der Bordnetzspannung.
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Aufgabe
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Lichtquellen möglichst verlustarm zu Betreiben und dabei maximale Flexibilität hinsichtlich der erlaubten Eingangsspannung und der Schaltzustände der Leuchtdioden zu erhalten.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung, die mehrere Lichtquellen aufweist, durch Ermitteln eines Maßes einer Versorgungsspannung und Schalten der Lichtquellen in einen oder mehrere parallele Stränge, wobei die Lichtquellen in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet sind, in Abhängigkeit von dem Maß der Versorgungsspannung, automatisches Ermitteln einer Anzahl an Lichtquellen in mindestens einem der Stränge, wobei die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit einer vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als das Maß der Versorgungsspannung ist, und wobei bei dem Schalten der Lichtquellen in dem mindestens einen Strang genau die ermittelte Anzahl an Lichtquellen in Reihe geschaltet wird, wobei jeder der Lichtquellen ein Schalter parallel geschaltet ist, und entweder jeder der Lichtquellen ein veränderlicher Widerstand in Serie geschaltet ist oder jedem Strang von Lichtquellen ein veränderlicher Widerstand in Serie geschaltet ist.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Lichtquellen, einer Ermittlungseinrichtung (5) zum Ermitteln eines Maßes einer Versorgungsspannung und einer Schaltvorrichtung zum Schalten der Lichtquellen in einen oder mehrere parallele Stränge, wobei die Lichtquellen in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet sind, in Abhängigkeit von dem ermittelten Maß der Versorgungsspannung, wobei eine Steuervorrichtung zum automatischen Ermitteln einer Anzahl an Lichtquellen in mindestens einem der Stränge, wobei die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit einer vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als das ermittelte Maß der Versorgungsspannung ist, wobei die Schaltvorrichtung von der Steuervorrichtung derart ansteuerbar ist, dass in dem mindestens einen Strang genau die ermittelte Anzahl an Lichtquellen in Reihe geschaltet ist, wobei jeder der Lichtquellen ein Schalter parallel geschaltet ist, und entweder jeder der Lichtquellen ein veränderlicher Widerstand in Serie geschaltet ist oder jedem Strang von Lichtquellen ein veränderlicher Widerstand in Serie geschaltet ist. In vorteilhafter Weise wird mindestens einer der Stränge so konfiguriert, dass die Anzahl seiner Lichtquellen dem größten ganzzahligen Wert entspricht, der kleiner als z. B. der Quotient der aktuellen Bordnetzspannung bzw. Versorgungsspannung und der vorgebbaren Flussspannung einer Lichtquelle ist. Das Ermitteln dieser Anzahl der Lichtquellen kann rein rechnerisch oder auf der Basis von Messungen während des Betriebs oder bei einer initialen Kalibrierung erfolgen. Damit liegt die Flussspannung des gesamten Strangs gleich mit der oder geringfügig unter der Versorgungsspannung. Wird nun der Strang mit einem Linear- oder Widerstandstreiber betrieben, so ergeben sich wegen der minimalen Differenz zwischen Flussspannung und Versorgungsspannung nur minimale Verluste.
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Das Ermitteln eines Maßes der Versorgungsspannung kann ein Messen der Versorgungsspannung sein. Alternativ kann ein Maß oder Repräsentant der Versorgungsspannung auch z. B. durch einen Zustand einer Schaltung repräsentiert werden. So könnte beispielsweise eine Schaltung mit Spannungsreferenz(en), z. B. mittels Zener-Dioden oder sonstigen Dioden, eingesetzt werden, welche in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung bestimmte Schaltzustände einnimmt, welche als Steuergröße verwendet werden können. In diesem Fall müsste die Versorgungsspannung nicht explizit gemessen werden.
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Die Flussspannung der einzelnen Lichtquellen oder mehrerer davon kann vorgegeben oder gemessen werden. Beispielsweise kann sie für einen bestimmten Arbeitspunkt zur Vereinfachung der automatischen Ermittlung der Anzahl der Lichtquellen in einem Strang von vornherein festgelegt sein. Eine weitere Optimierung hinsichtlich der Verlustreduktion kann gegebenenfalls aber dadurch erreicht werden, dass die tatsächliche Flussspannung einer, mehrerer oder aller Lichtquellen bzw. eines konkreten Strangs gemessen wird und so eine dynamische Anpassung an die Versorgungsspannung möglich wird.
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Vorzugsweise besitzen alle parallelen Stränge die gleiche Anzahl an Lichtquellen in Serie. Dadurch ist es möglich, dass ein einziger Treiber für alle Stränge benutzt wird.
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In einer besonderen Ausgestaltung werden für die Versorgungsspannung ein Spannungsminimalwert und ein Spannungsmaximalwert vorgegeben. Eine Minimalanzahl an Lichtquellen wird dann in mindestens einem der Stränge dahingehend ermittelt, dass die Minimalanzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit der vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als der Spannungsminimalwert ist. Ebenso wird eine Maximalanzahl an Lichtquellen in mindestens einem der Stränge dahingehend ermittelt, dass die Maximalanzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit der vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als der Spannungsmaximalwert ist. Dabei wird als die Anzahl an Lichtquellen eine ganze Zahl zwischen der Minimalanzahl und der Maximalanzahl gewählt. Durch dieses Festlegen einer Minimalanzahl und einer Maximalanzahl ist es einfach möglich, eine ganze Zahl an Lichtquellen dazwischen zu wählen. Dies kann beispielsweise mittels einer Look-Up-Tabelle erfolgen, in der die gemessene Versorgungsspannung einer Anzahl an Lichtquellen zugeordnet wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung entspricht die Gesamtzahl der Lichtquellen der Beleuchtungseinrichtung dem Quotienten aus Fakultät (Maximalanzahl) und Fakultät (Minimalanzahl –1). Auf diese Weise können immer gleich lange Stränge gebildet werden, und es müssen nicht eine oder wenige übrige Lichtquellen separat angesteuert werden.
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Wie oben bereits angedeutet wurde, ermöglicht die minimale Differenz zwischen der Flussspannung eines gesamten Strangs und der Versorgungsspannung den Einsatz von Lineartreibern und Widerstandstreibern, da die Verluste minimiert sind. Dadurch wiederum ergeben sich Bauraum-, Kosten- und EMV-Vorteile.
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Speziell kann die Beleuchtungseinrichtung einen einzigen Lineartreiber oder Widerstandstreiber zur elektrischen Versorgung aller Lichtquellen aufweisen. Dies führt zu weiteren Bauraum- und Kostenvorteilen.
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Alternativ kann die Beleuchtungseinrichtung für jeden Strang einen separaten Lineartreiber oder Widerstandstreiber zur elektrischen Versorgung der Lichtquellen aufweisen. Auf diese Weise ist es auch möglich, jede beliebige Anzahl an Lichtquellen in einzelne Stränge zu unterteilen und doch verhältnismäßig verlustreduziert zu betreiben. In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder Strang einen veränderlichen Widerstand auf, der als Lineartreiber arbeitet. Er wird daher als Stromquelle betrieben, um einen vorbestimmten Strom durch die Lichtquellen sicherzustellen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist jede Lichtquelle einen veränderlichen Widerstand in Serie zu ihr auf, der als Lineartreiber arbeitet, also als Stromquelle geschaltet ist. Werden mehrere Lichtquellen aufgrund der Eingangsspannung in Serie geschaltet, so werden die jeweiligen veränderlichen Widerstände gemeinsam derart angesteuert, dass ein vorbestimmter Strom durch den Strang aus in Serie geschalteten Lichtquellen fließt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Schalter ein Transistor, der mit einem Schaltschema oder einer Pulsweitenmodulation betrieben wird. Dadurch kann jede der Lichtquellen einzeln ein- und ausgeschaltet werden oder mit einer Pulsweitenmodulation gedimmt werden. Wenn die Lichtquellen in einer Matrix angeordnet sind, die als Auf- oder Abblendlicht eines Scheinwerfers dient, kann jeder der Pixel der Matrix geschaltet oder gedimmt werden. Dies ist insbesondere bei Kurvenlicht oder bei Matrixscheinwerfern, die den Gegenverkehr ausblenden von besonderen Vorteil. Die Blendung anderer Verkehrsteilnehmer kann dabei durch Abschalten einzelner Pixel ausgeschlossen werden, oder aber durch Dimmung dieser Pixel reduziert werden.
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Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Lichtquellen um Leuchtdioden, Laserdioden oder Module davon. Unter einem Modul wird hier eine feste Baugruppe mit einer oder mehreren Leuchtdioden bzw. Laserdioden verstanden.
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In einer besonders bevorzugten Anwendung ist ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer der oben geschilderten Beleuchtungseinrichtungen ausgestattet. Damit können sämtliche Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung hinsichtlich Verlustleistung, Bauraum, Robustheit und EMV-Verträglichkeit in Kraftfahrzeugen zum Tragen kommen, wo diese Vorteile von besonderer Bedeutung sind. Der Einsatz ist dabei nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt, sondern ist überall dort günstig, wo Versorgungsspannungen schwanken, insbesondere also in mobilen Geräten, bei denen die Versorgungsspannung häufig äußerst stark schwankt.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung; und
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2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung,
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3 einen Ausschnitt aus einem schematischen Prinzipschaltbild eines Leuchtdiodentreibers der Beleuchtungseinrichtung, an dem eine Leuchtdiode angeschlossen ist.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Merkmalskombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert werden können.
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Es soll beispielsweise eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von LEDs in einem Kraftfahrzeug möglichst verlustfrei und strahlungsarm betrieben werden. Insbesondere kann beispielsweise ein Abblendlicht bzw. Fernlicht des Kraftfahrzeugs auf diese Weise realisiert werden. Die LEDs stehen für alle möglichen Lichtquellen, insbesondere für Halbleiterlichtquellen. Auch der Bezug auf ein Kraftfahrzeug ist rein exemplarisch und die Erfindung kann auch für andere Einsatzzwecke dienen.
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Erstrebenswert ist es nun, für die Beleuchtungseinrichtung einen Linear- oder Widerstandstreiber zu verwenden. Diese besitzen einen verhältnismäßig einfachen Aufbau, nämlich gegebenenfalls nur einen Widerstand in Reihe zu der Last bzw. den Lichtquellen im Fall eines Widerstandstreibers. Optional kann der Widerstand temperaturabhängig sein (z. B. PTC oder NTC).
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In einem konkreten Beispiel besitzt die Beleuchtungseinrichtung eine Matrix 1 an Lichtquellen bzw. LEDs L11, L12, L13, ..., L18; L21, L22, L23, ..., L28; L31, L32, L33, ..., L38, wie dies in 1 dargestellt ist. Diese sollen nun in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung UN, die beispielsweise ein Bordnetz liefert, verschieden miteinander verschaltet werden. Die Verschaltung soll in einer solchen Art und Weise erfolgen, dass die Summe der in Reihe geschalteten Dioden stets gleich oder knapp unterhalb der Bordnetzspannung bzw. Versorgungsspannung zu liegen kommt.
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Im Beispiel von 1 wird die Matrix 1 der LEDs von einer Schaltvorrichtung 2 verschaltet. Diese ist in der Lage, mehrere der LEDs zu einem Strang in Serie zu schalten. Weitere der LEDs werden gruppenweise zu einem zweiten, dritten Strang etc. verschaltet. In dem Beispiel von 1 sind sechs Stränge mit je vier LEDs gebildet. Einen ersten Strang bilden die LEDs L11 bis L14, einen zweiten Strang die LEDs L15 bis L18, einen dritten Strang die LEDs L21 bis L24, einen vierten Strang die LEds L25 bis L28, einen fünften Strang die LEDs L31 bis L34 und einen sechsten Strang die LEDs L35 bis L38. Alternativ können auch andere Gruppen von jeweils vier LEDs gebildet werden. So können beispielsweise auch die LEDs L11, L21, L31 und L32 zu einem Strang bzw. einer Gruppe verbunden sein. Die weiteren LEDs können beliebig weiter gruppiert werden.
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Anders als in dem Beispiel von 1 können auch Stränge mit drei LEDs, zwei LEDs, sechs LEDs, acht LEDs usw. gebildet werden. Im Extremfall wird sogar ein einziger Strang mit 24 LEDs gebildet oder es werden 24 „Stränge” mit jeweils einer LED gebildet. Im gewählten Beispiel von 24 LEDs sind folgende Gruppierungen möglich (Anzahl der Stränge × Anzahl der LEDs):
24 × 1
12 × 2
8 × 3
6 × 4
4 × 6
3 × 8
2 × 12
1 × 24
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Anstelle der Anzahl 24 im obigen Beispiel kann für die Anzahl der LEDs prinzipiell jede beliebige Zahl gewählt werden. Vorteilhaft ist jedoch eine Anzahl an LEDs, die verschiedene Strangbildungen ohne Rest ermöglichen, wobei die Differenz der Stranglängen zumindest in einem bevorzugten Bereich jeweils nur 1 ist. Wie obige Tabelle zeigt, können im Fall von 24 LEDs Stränge mit 1, 2, 3, und 4 LEDs gebildet werden, wobei stets sämtliche LEDs genutzt sind und alle Stränge gleich lang sind. Im Folgenden wird allgemein hergeleitet, wie die Stränge gebildet werden sollten. Dabei kann in folgenden Schritten vorgegangen werden:
- a) Die Vorwärts- bzw. Flussspannung jeder LED, Laserdiode oder anderen Lichtquelle in der Beleuchtungseinrichtung kann durch deren Spezifikation oder bekannten Wertebereich auf eine Spanne U_LED_min bis U_LED_max eingegrenzt werden. Im aufwendigsten Fall wird die konkrete Spannung gemessen und im einfachsten Fall ist sie vorgegebenen bzw. wird auf einen bestimmten Wert festgelegt, z. B. U_LED = 3,5 V.
- b) Die Bordnetzspannung bzw. Versorgungsspannung liegt in einem Bereich U_BORD_min bis U_BORD_max. Aufgrund der oft starken Schwankungen sollte die Bordnetzspannung aktuell gemessen werden.
- c) Die maximale Anzahl der LEDs in Reihe wird festgelegt auf N_REIHE_max = U_BORD_max/U_LED
- d) Die minimale Anzahl an LEDs in Reihe wird festgelegt auf N_REIHE_min = U_BORD min/U_LED
- e) Die konkrete Anzahl der in einem bestimmten Moment in Reihe geschalteten LEDs wird festgelegt zu N_AKTUELL = größter ganzzahliger Wert, der kleiner ist als U_BORD/U_LED.
- f) Die Anzahl der LEDs in der Beleuchtungseinrichtung wird vorzugsweise gewählt gemäß N_LED_TO(N_REIHE_min +TAL = N_REIHE_min + 1) × (N_REIHE_min + 2) x ... x N_REIHE_max. Für den Fall, dass N_REIHE_min = 1 ist ergibt sich N_LED_TOTAL = N_REIHE_max!, d. h. der Fakultät der maximalen Anzahl an Lichtquellen in einer Reihe. Andernfalls entspricht N_LED_TOTAL = N_REIHE_max!/(N_REIHE_min – 1)!
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Das Bordnetz wird in 1 durch eine Batterie 3 symbolisiert, die die Bordnetzspannung UN liefert. Die LEDs der Beleuchtungseinrichtung werden in einer ersten Ausführungsform einfach über einen Widerstandstreiber, also einen Vorwiderstand 4 betrieben (alternativ könnte hier auch ein Lineartreiber eingesetzt werden). Die jeweilige Anzahl an LEDs wird durch die Schaltvorrichtung 2 in mehreren Strängen jeweils in Reihe geschaltet und die Stränge werden zueinander parallel geschaltet. Die parallel verlaufenden Stränge werden von dem Widerstandstreiber mit Strom versorgt.
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Um die LEDs intelligent zu Strängen zu schalten, wird die Versorgungsspannung bzw. Bordnetzspannung durch eine Messeinrichtung 5 gemessen. Das entsprechende Messsignal wird einer Steuervorrichtung 6 zugeführt, die die Anzahl an Lichtquellen bzw. LEDs in mindestens einem der Stränge, vorzugsweise in allen Strängen, automatisch ermittelt, wobei die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit einer vorgebbaren Flussspannung (z. B. 3,5 V) jeder der Lichtquellen kleiner als die gemessene Versorgungsspannung ist.
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Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel dargestellt. Die Flussspannung einer LED wird festgelegt auf U_LED = 3,5 V. Für den Versorgungsspannungsbereich werden die beiden Grenzen U_BORD_min = 9 V und U_BORD_max = 16 V festgelegt. Bei einer Bordnetzspannung von 9 V können also nur 2 LEDs in Reihe geschaltet werden, so dass sich N_REIHE_min = 2 ergibt. Die Flussspannung der beiden LEDs beträgt dann 7 V und liegt unter 9 V. Bei der maximalen Bordspannung 16 V können vier LEDs in Reihe geschaltet werden, die dann zu einer Gesamtflussspannung von 14 V führen, was dem größten ganzzahligen Wert unterhalb der maximalen Bordspannung von 16 V entspricht. Es ergäbe sich damit entsprechend dem obigen Punkt f) eine LED-Gesamtzahl N_LED_TOTAL = 2 × 3 × 4 = 24. Diese Gesamtzahl bliebe auch gleich, wenn die Bordnetzspannung unter 7 V fallen würde und damit ein Strang nur noch eine einzige LED enthalten ist.
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Fall 1:
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Die aktuelle Bordnetzspannung beträgt U_BORD = 13,5 V. Für diese Spannung können drei LEDs in Serie geschaltet werden, so dass N_AKTUELL = 3 ist. Dadurch ist die Summe aller U_LED genau 10,5 V. Dies liegt knapp unterhalb der aktuellen Bordnetzspannung von 13,5 V. In einem Lineartreiber fällt bei einem LED-Strom I_LED als Verlustleistung ab: dU × I_LED = 3,0 V × I_LED.
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Fall 2:
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Falls die Bordnetzspannung 16 V beträgt ergibt sich pro Strang N_AKTUELL = 4. Dadurch ist die Summe aller U_LED genau 14 V, was ebenfalls knapp unterhalb der aktuellen Bordnetzspannung von 16 V liegt. In einem Lineartreiber fällt als Verlustleistung dann ab: dU × I_LED = 2,0 V × I_LED.
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Fall 3:
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Beträgt die Bordnetzspannung U_BORD 9 V, so ergäbe sich N_AKTUELL = 2 für die Zahl der LEDs in einem Strang. Dadurch ist die Summe aller U_LED genau 7 V, was wieder knapp unterhalb der aktuellen Bordnetzspannung von 9 V liegt. In einem Lineartreiber fällt als Verlustleistung ab: dU × I_LED = 2,0 V × I_LED.
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Typischerweise beträgt der Strom durch eine LED I_LED = 1 A. Er kann aber auch Werte wie beispielsweise 2,0 A, 0,5 A, 0,1 A oder dergleichen betragen. Für den Fall von I_LED = 1 A lägen die Verluste in den obigen drei Fällen bei 2 W bzw. 3 W.
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In 2 ist der Verfahrensablauf zum Schalten der Lichtquellen schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 51 erfolgt das Messen der Versorgungsspannung (z. B. der Bordnetzspannung) der Beleuchtungseinrichtung. In einem anschließenden Schritt S2 erfolgt das automatische Ermitteln der Anzahl an Lichtquellen in mindestens einem der Stränge und vorzugsweise in allen Strängen. Dabei sollte die Anzahl der Lichtquellen pro Strang möglichst gleich sein. Für die (jeweils) ermittelte Anzahl gilt, dass die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit einer vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als die gemessene Versorgungsspannung ist. Daraufhin wird in einem Schritt S3 in einem jeweiligen Strang genau die ermittelte Anzahl an Lichtquellen in Reihe geschaltet.
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Durch die Festlegung der idealen Gesamtzahl gemäß obigem Punkt f) kann eine Beleuchtungseinrichtung realisiert werden, bei der bei allen Spannungswerten des Bordnetzes bzw. der Versorgungsspannung alle Lichtquellen (LEDs, Laserdioden und dergleichen) gleichmäßig angesteuert werden können. Die Ansteuerung kann in dieser Ausführungsform insbesondere mit einem Linear- oder Widerstandstreiber auf eine Art und Weise erfolgen, die die Verlustleistung im Treiber minimiert. Somit ist der Einsatz von Linear- oder Widerstandstreibern, die einfach, störungsarm und robust sind, bei relativ hohen LED-Strömen möglich, wo bisher nur Schaltwandler zum Einsatz kommen.
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Mit dieser Lösung ist eine sehr kompakte, im Extremfall in einem einzigen integrierten Gehäuse aufgebaute LED-Beleuchtungseinrichtung für Abblend- und Fernlicht möglich. Das Einsparpotenzial kann einen Großteil der Kosten, des Bauraums und der Komplexität von Schaltwandlerlösungen betragen.
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3 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Ausschnitt 10 aus der Schaltvorrichtung 2 als Lichtquellentreiber für eine an die Schaltvorrichtung 2 angeschlossene Leuchtdiode L11 bis L38 einer zweiten Ausführungsform. Der Ausschnitt 10 entspricht also einer Leuchtdiode L11 bis L38 in der vorhergehenden Ausführungsform. Die Anschlüssen 18 und 20 des Auschnitts 10 entsprechen somit einer Anode und einer Kathode einer der Leuchtdioden L11 bis L38. Anstatt einer Leuchtdiode L11 bis L38 wird also eine Schaltung gemäß dem Ausschnitt 10 mit der jeweiligen Leuchtdiode L11 bis L38 angeschlossen. Die Leuchtdiode L11 bis L38 ist in 3 also eine Leuchtdiode von einer Mehrzahl von Leuchtdioden L11 bis L38, die zu der Leuchtdiodenmatrix 1 in der Schaltvorrichtung 2 der 1 zusammengefasst sind.
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Die Leuchteinrichtung 22 ist Bestandteil eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugscheinwerfers und wird über die Batterie 3 mit elektrischer Energie aus einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs versorgt. Vorliegend handelt es sich bei der elektrischen Spannung durch die Batterie 3 um eine elektrische Gleichspannung UN, die vorliegend etwa 12 V beträgt. Nicht dargestellt ist, dass die Schaltvorrichtung 2 ferner eine Kommunikationsschnittstelle aufweist, Ober die die Schaltvorrichtung 2 ebenfalls an eine übergeordnete Kraftfahrzeugsteuerung angeschlossen ist. Dadurch ist es möglich, den Kraftfahrzeugscheinwerfer nicht nur ein- beziehungsweise auszuschalten, sondern darüber hinaus auch ein vorgebbares Leuchtmuster durch die Leuchtdiodenmatrix 24 bereitzustellen. Dies kann dazu dienen, eine vorgegebene Beleuchtungskulisse im beleuchtbaren Bereich durch den Kraftfahrzeugscheinwerfer zu erzeugen.
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3 zeigt einen Ausschnitt 10 aus der Schaltvorrichtung 2 mit einer einzelnen der Leuchtdioden L11 bis L38. Vorliegend ist vorgesehen, dass ein erster Transistor 12, der vorliegend als MOSFET (Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) mit einem Drainanschluss 18 an ein positives Potential der zugeführten elektrischen Gleichspannung über die Schaltvorrichtung 2 angeschlossen ist. An einem Sourceanschluss 34 des MOSFET's 12 ist ein Drainanschluss 36 eines weiteren MOSFET's 14 angeschlossen. Ein Sourceanschluss 38 des MOSFET 14 bildet einen Anschluss 20. Am Sourceanschluss 34 des MOSFET 12 ist ferner eine Anode einer der Leuchtdioden L11 bis L38 angeschlossen. Eine Kathode der Leuchtdioden L11 bis L38 ist an den Anschluss 20 angeschlossen, sodass die Leuchtdioden L11 bis L38 jeweils zur Drain-Source-Strecke des MOSFETs 14 parallelgeschaltet sind. Über nicht weiter bezeichnete Gateanschlüsse der MOSFET's 12, 14 wird der Betrieb der MOSFET's 12, 14 von einer nicht dargestellten Steuereinheit der Schaltvorrichtung 2 entsprechend gesteuert. Die Steuereinheit ist ferner an die Kommunikationsschnittstelle angeschlossen.
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Der MOSFET 12 ist so eingestellt, dass er für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Leuchtdioden L11 bis L38, das heißt, zum Emittieren von Licht durch die Leuchtdioden L11 bis L38, einen geeigneten Gleichstrom bereitstellt, der vorliegend konstant eingestellt ist. Der MOSFET 12 arbeitet somit als eine Stromquelle. Die zweite Ausführungsform weist damit keinen Vorwiderstand 4 auf, da jede der Leuchtdioden L11 bis L38 eine eigene Stromquelle in dem MOSFET 12 hat. Der Widerstandswert des Vorwiderstandes 4 beträgt in der zweiten Ausführungsform demnach 0 Ohm.
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Der MOSFET 14 dient nun dazu, die Leuchtdioden L11 bis L38 in Abhängigkeit des Schaltzustands kurzzuschließen. Zu diesem Zweck wird der MOSFET 14 in einem Schaltbetrieb betrieben. Schließt der MOSFET 14 eine der Leuchtdioden L11 bis L38 kurz, fließt der durch den MOSFET 12 bereitgestellte Gleichstrom durch den MOSFET 14 zum Anschluss 20 ab. Die entsprechende Leuchtdiode wird vom Strom im Wesentlichen nicht durchströmt, sodass kein Licht emittiert wird. Wird hingegen der MOSFET 14 abgeschaltet, fließt der durch den MOSFET 12 bereitgestellte Strom durch die entsprechende Leuchtdiode zum Anschluss 20, sodass die Leuchtdiode in bestimmungsgemäßer Weise Licht emittiert. Der jeder Leuchtdiode L11 bis L38 parallel geschaltete MOSFET 14, der die jeweilige Leuchtdiode entweder ein oder ausschalten kann, wird bevorzugt mit einer Pulsweitenmodulation betrieben, um die jeweilige Leuchtdiode zu dimmen, indem er sie in einer schnellen Folge ein- und ausschaltet. Es kann aber ebenfalls ein reiner Ein- und Ausschaltbetrieb erfolgen.
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In einer dritten Ausführungsform können am Anschluss 20 weitere Parallelschaltungen aus jeweils einem MOSFET 14 und einer Leuchtdiode L11 bis L38 vorgesehen sein, um die durch das kraftfahrzeugseitige Bordnetz bereitgestellte Gleichspannung möglichst optimal nutzen zu können. Es kann also jeder der sechs Stränge der 1 jeweils mit einem MOSFET 12 ausgerüstet sein, der als Stromquelle für diesen Strang dient. Der Anschluss 20 ist dadurch mittelbar beziehungsweise unmittelbar mit dem negativen Potential 32 der Gleichspannung des Bordnetzes verbunden. In einer anderen Ausführungsform weist jede der Leuchtdioden L11 bis L38 einen eigenen MOSFET 12 als Stromquelle auf. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn bei sehr niedriger Bordnetzspannung, z. B. beim Starten des Automobils, alle Leuchtdioden L11 bis L38 parallel geschaltet sind, um die Lichtabgabe der Leuchtvorrichtung 22 auch bei dieser niedrigen Bordnetzspannung zu erhalten. In Schaltzuständen, in denen zwei oder mehrere der Leuchtdioden in Serie geschaltet sind, sind die jeweiligen MOSFETs 12 der entsprechenden Leuchtdioden gemeinsam auf eine Stromstärke anzusteuern, mit der der jeweilige Strang betrieben werden soll.
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Darüber hinaus erweist sich diese Schaltung in der zweiten und dritten Ausführungsform insofern als vorteilhaft, als dass beim Schalten von einzelnen Leuchtdioden L11 bis L38 oder auch sämtlichen Leuchtdioden L11 bis L38 bordnetzseitig keine Stromsprünge auftreten, die zu unerwünschten elektromagnetischen Störungen führen können, weil aufgrund dieser Schaltungsstruktur der Strom im Wesentlichen konstant bleiben kann. Ferner erlaubt es diese Schaltung, durch Einstellen des Stromes mittels des MOSFET's 12 sämtliche der Leuchtdioden L11 bis L38, die an diesem angeschlossen sind, im Wesentlichen im gleichen Betriebszustand im eingeschalteten Betriebszustand zu betreiben. Insofern ist die durch diesen Zweig der Schaltvorrichtung 2 umgesetzte Leistung im Wesentlichen konstant und unabhängig davon, ob die Leuchtdioden L11 bis L38 Licht emittieren oder nicht. Die Schaltvorrichtung 2 beinhaltet vorliegend einen ASIC. Durch die parallelgeschalteten MOSFETs 14 kann jede LED einzeln ein- und ausgeschaltet werden. Dadurch, dass die MOSFETs 14 auch mit einer Pulsweitenmodulation betrieben werden können, können sie ebenfalls gedimmt werden und so die Beleuchtungsvorrichtung 22 an verschiedene Gegebenheiten angepasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- L11–L14
- LEDs eines ersten Stranges
- L15–L18
- LEDs eines zweiten Stranges
- L21–L24
- LEDs eines dritten Stranges
- L25–L28
- LEDs eines vierten Stranges
- L31–L34
- LEDs eines fünften Stranges
- L35–L38
- LEDs eines sechsten Stranges
- 1
- Leuchtdiodenmatrix
- 3
- Batterie
- 4
- Vorwiderstand
- 5
- Messeinrichtung
- 6
- Steuervorrichtung
- 10
- Ausschnitt
- 12
- MOSFET
- 14
- MOSFET
- 16
- Leuchtdiode aus den LEDs L11 bis L38
- 18
- Drainanschluss
- 20
- Anschluss
- 22
- Leuchteinrichtung
- 34
- Sourceanschluss
- 36
- Drainanschluss
- 38
- Sourceanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201766 A1 [0008]
