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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Lösungen zur Steuerung von Beleuchtungsvorrichtungen mit lichtemittierenden Dioden (LED) und insbesondere zur Steuerung der Verlustleistung in solchen Vorrichtungen.
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Hintergrund der Erfindung
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LED-Beleuchtung ist heute in zahlreichen Anwendungsbereichen wie z.B. in Gebäuden, in Straßenlaternen oder Fahrzeugen zu finden. In Fahrzeugen findet man LED-Beleuchtung insbesondere in Frontscheinwerfern, Nebelscheinwerfern, Blinkern, Innenraumbeleuchtung und Rückleuchten. In einem einzelnen Rücklicht können z. B. mehrere Leuchten vorhanden sein, z. B. ein Bremslicht, ein Rücklicht, ein Blinker, ein Nebelscheinwerfer und andere.
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Jede dieser Leuchten hat spezifische Anforderungen an die Lichtausgangsleistung, die Farbe, die Reaktion im Notfall usw. Im Gegensatz zu z. B. Innenleuchten ist jedoch die Farbe für eine einzelne Leuchte in einem Rücklicht als monochromatisch definiert. Dies ermöglicht die Verwendung von einer oder mehreren monochromatischen LEDs pro Leuchte in Abhängigkeit von der gewünschten Lichtleistung. Werden mehr als eine LED verwendet, werden diese in Reihe oder parallel geschaltet. Solche zusammengeschalteten LEDs werden in dieser Beschreibung weiter als LED-Einheit bezeichnet.
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Die Lichtleistung der LEDs wird geregelt, indem eine Regelung des LED-Stroms durchgeführt wird. Dies kann durch die Regelung einer analogen Stromquelle, die den Strom liefert, durch Anwendung einer Pulsweitenmodulation (PWM) oder durch eine Kombination aus beidem erreicht werden. Eine PWM regelt den durchschnittlichen Strom als Funktion des PWM-Verhältnisses. Die Stromquelle und die PWM werden typischerweise mittels eines integrierten Schaltkreises (IC) an die eine oder mehrere LEDs geliefert. Dieser integrierte Schaltkreis kann mehrere Ausgänge haben, über die LED-Einheiten angeschlossen und die LED-Ströme geregelt werden können. Um die Erwärmung des ICs und damit Fehlfunktionen oder Schäden zu begrenzen, hat der IC als eine seiner Eigenschaften eine maximal zulässige Verlustleistung.
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Ein typischer Wert für eine maximal zulässige Verlustleistung einer integrierten Schaltung ist z. B. 2 W. Wenn die integrierte Schaltung z. B. drei Ausgangskanäle umfasst, beträgt die maximal zulässige Verlustleistung pro Kanal dann etwa 600 mW. Es ist ein Designziel, den größten Teil der Verlustleistung außerhalb des ICs zu halten.
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Die nominale DC-Versorgungsspannung in z.B. PKWs mit ca. 12V und in LKWs mit ca. 24V ist relativ hoch im Vergleich zu einer LED-Vorwärtsspannung von z.B. ca. 2,5V. Daher werden oft mehrere LEDs in einer LED-Einheit in Reihe geschaltet, was es ermöglicht, den größten Teil der Leistung in den LEDs der Einheit zu verbrauchen. Werden z.B. drei LEDs in Reihe mit einem maximalen LED-Strom von 100mA versorgt, entweder mit einer analogen Stromquelle und/oder einer 100%igen PWM, ergibt sich eine Verlustleistung von P = V*I = 3*2,5V*100mA = 750mW in den LEDs. Die Verlustleistung im IC ist dann gleich P = (12V - 7,5V)*100mA = 450mW. In dieser Konfiguration würde am Ausgangspin des ICs eine Spannung von 12V-7,5V=4,5V verbleiben. Indem man z. B. vier statt drei LEDs in Reihe schaltet, kann man das Gleichgewicht zwischen der Verlustleistung in den LEDs und der Verlustleistung im IC noch mehr in Richtung der LEDs verschieben.
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Die Versorgungsspannung des Fahrzeugs ist jedoch nicht konstant und kann in einem Bereich zwischen z.B. 9V und 18V variieren, wobei eine gegebene Leuchte entsprechend der Beschreibung betriebsfähig bleiben muss. Nehmen wir wieder das obige Zahlenbeispiel, so würde bei 18V Versorgungsspannung die 750mW Verlustleistung in den LEDs bleiben. Die Verlustleistung im IC würde jedoch 1050mW betragen, was für ein IC mit z.B. drei Ausgangskanälen zu hoch sein könnte.
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Eine Lösung nach dem Stand der Technik ist z.B., einen externen Serienwiderstand von z.B. 50 Ohm in die LED-Reihenschaltung zu bringen. Dieser Widerstand hat dann eine Verlustleistung von V = R*I = 500hm*100mA = 5V, P = V*I = 5V*100mA = 500mW. Im IC hat man dann eine Verlustleistung von P = (18V-7,5V- 5V)*100mA = 550mW. Mit einer Vergrößerung des Serienwiderstandes kann das Gleichgewicht zwischen der externen Verlustleistung und der Verlustleistung im IC in Richtung der externen Verlustleistung verschoben werden.
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Fällt die Versorgungsspannung in dieser Konfiguration auf z.B. einen Minimalwert von 9V bei einem benötigten LED-Strom von 100mA, erhält man einen Spannungsabfall über den LEDs von 7,5V und über dem externen Widerstand von 5V, also insgesamt einen Spannungsabfall von 12,5V über den externen Bauteilen. Diese Spannung ist natürlich schon viel höher als die minimale Versorgungsspannung von 9V selbst, was bedeutet, dass der IC diese Konfiguration nicht mit 100mA betreiben kann. Es wären nur wesentlich geringere LED-Ströme möglich.
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Mehrere andere Konfigurationen können bei minimaler Versorgungsspannung funktionieren, würden aber bei maximaler Versorgungsspannung zu einer zu hohen Verlustleistung in der integrierten Schaltung (IC) führen, oder eine Konfiguration könnte bei maximaler Versorgungsspannung funktionieren, aber bei minimaler Versorgungsspannung versagen.
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Daher wird eine Lösung benötigt, bei der eine optimale Verlustleistung im IC bei einem maximal spezifizierten LED-Strom über eine variable DC-Versorgungsspannung bereitgestellt wird.
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US7612506 B1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Lichtemission einer LED-Lichtquelle, wobei eine dynamische Spannung der LED-Lichtquelle in Echtzeit überwacht wird, um eine Änderung einer Sperrschichttemperatur der LED-Lichtquelle zu erfassen und eine Wärmeableitungsleistung eines thermischen Moduls anzupassen. Die von der LED-Lichtquelle erzeugte Wärme kann in Echtzeit abgeführt werden, so dass sich die dynamische Spannung der LED-Lichtquelle einer Referenzspannung annähern kann, so dass die Lichtleistung der LED-Lichtquelle aufrechterhalten werden kann. Zu diesem Zweck werden die Klemmen der Lichtquelle überwacht und mit einer Referenzspannung verglichen.
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US10420178 B2 offenbart ein System, das ein Leistungsmodul zum Erzeugen einer Versorgungsleistung, ein Lastmodul, das zum Auswählen einer Teilmenge aus einem Satz von LEDs geeignet ist, ein Reihenmodul, das so konfiguriert ist, dass es die Versorgungsleistung von dem Leistungsmodul empfängt, einen Teil der Versorgungsleistung ableitet und einen verbleibenden Teil der Versorgungsleistung als Lastleistung an die Teilmenge von LEDs ausgibt, und ein Steuermodul umfasst, das so konfiguriert ist, dass es das Reihenmodul ansteuert, um eine Leistungsmenge an der Teilmenge von LEDs zu begrenzen. Dieses Steuermodul gibt an das Reihenmodul eine Anzeige einer Leistungsschwelle oder ein Steuersignal aus. Das Reihenmodul kann einen Widerstand eines Schaltelements des Reihenmoduls so modifizieren, dass der Widerstand einen Teil der Versorgungsleistung ableitet und den verbleibenden Teil der Versorgungsleistung direkt an die Untergruppe der LEDs als Lastleistung ausgibt.
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US2012/319587 A1 offenbart ein System zur Regelung eines Arrays von LEDs, wobei ein Energiesteuerelement, das betriebsfähig mit einem Stromschalter verbunden und so konfiguriert ist, dass es die Versorgungsspannung erfasst, und wobei das Energiesteuerelement, wenn die Versorgungsspannung eine obere Spannungsgrenze erreicht, ein Signal erzeugt, das den Stromschalter deaktiviert; wobei der Zyklus der Aktivierung und Deaktivierung der Strombegrenzung und der Stromrückschaltung über die Periode der Versorgungsspannung wiederholt wird und die Dauer der Strombegrenzung und der Stromrückschaltung sowie die Werte der oberen Spannungsgrenze, der oberen Steuergrenze und der unteren Steuergrenze so optimiert sind, dass die Wärmeabfuhr innerhalb des Arrays von Leuchtdioden maximiert wird, während die Wahrnehmung einer maximalen Beleuchtung aufrechterhalten wird.
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US2016/219670 bezieht sich auf die Steuerung der Zufuhr von elektrischer Energie für z. B. LED-Leuchten in Automobilen.
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Überblick über die Erfindung
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Es ist ein Ziel der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung bereitzustellen, bei der die Verlustleistung über einen Bereich von DC-Versorgungsspannungen gesteuert werden kann.
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Das oben genannte Ziel wird durch die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht.
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Licht emittierende Dioden-, LED, Beleuchtungsvorrichtung
angeordnet, um eine DC-Versorgungsspannung zu empfangen und umfassend:
- - eine LED-Einheit mit einer oder mehreren LEDs,
- - ein festes Verlustleistungselement, das in Reihe mit der LED-Einheit geschaltet ist,
- - ein steuerbares Verlustleistungselement, das parallel zu dem festen Verlustleistungselement geschaltet ist,
- - einen Stromcontroller, der so angeordnet ist, dass er dem steuerbaren Verlustleistungselement und dem festen Verlustleistungselement Strom zuführt,
- - einen Verlustleistungscontroller, der so angeordnet ist, dass er mindestens einen Parameter empfängt und auf der Grundlage des mindestens einen Parameters die Verlustleistung in dem steuerbaren Verlustleistungselement regelt, während der bereitgestellte Strom erhalten bleibt.
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Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht in der Tat einen Ausgleich der Verlustleistung zwischen dem festen Verlustleistungselement und der LED-Einheit auf der einen Seite und den steuerbaren Gerätekomponenten wie dem steuerbaren Verlustleistungselement und der steuerbaren Stromquelle auf der anderen Seite. Es steht mindestens ein einstellbarer Parameter zur Verfügung, mit dem die Verlustleistung im steuerbaren Verlustleistungselement geregelt werden kann. Es ist wichtig zu beachten, dass die Regelung der Verlustleistung durch Aufteilung des Stroms zwischen dem festen Verlustleistungselement und dem steuerbaren Verlustleistungselement unter Beibehaltung des Stroms in der LED-Einheit und damit unter Beibehaltung der Lichtleistung der LED-Einheit erfolgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Stromcontroller eine steuerbare Stromquelle und/oder ein schaltbares Element.
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Vorzugsweise umfasst die LED-Beleuchtungsvorrichtung ferner einen Controller, der dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Parameter einzustellen und/oder zu speichern. Der Controller ist vorteilhafterweise angeordnet, um den mindestens einen Parameter über eine Kommunikationsschnittstelle zu empfangen.
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In einigen Ausführungsformen ist die LED-Beleuchtungsvorrichtung ferner so eingerichtet, dass sie Messungen durchführt, aus denen der Controller mindestens einen Parameter ableiten kann. Die Messungen können sich auf einen oder mehrere Parameter beziehen, wie zum Beispiel die Versorgungsspannung, die Temperatur des LED-Controllers und/oder den Strom durch die LEDs. In Ausführungsformen der Erfindung wird der mindestens eine Parameter über Messungen abgeleitet und/oder der mindestens eine Parameter über die Kommunikationsschnittstelle empfangen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stromcontroller in Reihe mit dem steuerbaren Verlustleistungselement geschaltet, das parallel zu dem festen Verlustleistungselement geschaltet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das feste Verlustleistungselement ein Widerstand.
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Vorteilhafterweise umfasst der Verlustleistungscontroller einen Operationsverstärker und das steuerbare Verlustleistungselement einen n-Typ MOSFET.
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In einer Ausführungsform umfasst der Verlustleistungscontroller eine einstellbare Gleichspannungsquelle, wobei der Wert der einstellbaren Gleichspannung ein Parameter des mindestens einen Parameters ist.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist der Stromcontroller Teil einer integrierten Schaltung. Die integrierte Schaltung kann auch den Verlustleistungscontroller und den Controller zum Einstellen und/oder zum Speichern des mindestens einen Parameters umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst der integrierte Schaltkreis auch das steuerbare Verlustleistungselement.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst die LED-Beleuchtungsvorrichtung eine Vielzahl von LED-Steuerkanälen, wobei jeder LED-Steuerkanal mindestens einen Verlustleistungscontroller und einen Stromcontroller umfasst. Jeder LED-Steuerkanal kann dann ein steuerbares Verlustleistungselement umfassen.
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In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Fahrzeugleuchte, die eine LED-Beleuchtungsvorrichtung wie zuvor beschrieben umfasst.
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Zum Zwecke der Zusammenfassung der Erfindung und der Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erreicht, wurden bestimmte Ziele und Vorteile der Erfindung oben beschrieben. Natürlich versteht es sich, dass nicht notwendigerweise alle diese Ziele oder Vorteile in Übereinstimmung mit einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung erreicht werden kann. So wird beispielsweise der Fachmann erkennen, dass die Erfindung in einer Weise verkörpert oder ausgeführt werden kann, die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, wie sie hierin gelehrt, erreicht oder optimiert werden, ohne notwendigerweise andere Ziele oder Vorteile zu erreichen, wie sie hierin gelehrt oder vorgeschlagen werden.
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Die obigen und andere Aspekte der Erfindung werden aus der/den im Folgenden beschriebenen Ausführungsform(en) ersichtlich und erläutert.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, wobei sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren beziehen.
- 1 zeigt eine LED-Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindu ng.
- 2 zeigt eine Ausführungsform der LED-Beleuchtungsvorrichtung mit einem steuerbaren Verlustleistungselement, das sich außerhalb des LED-Controllers befindet.
- 3 veranschaulicht die Regelung und den Abgleich der Verlustleistung, wenn eine Gleichspannung von 1 V an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegt wird.
- 4 veranschaulicht die Regelung und den Abgleich der Verlustleistung.
- 5 veranschaulicht die Regelung und den Abgleich der Verlustleistung mit einem externen Widerstand von 60 Ohm und einem DC-Regelpunkt von entweder 1 V oder 3 V.
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Detaillierte Beschreibung der illustrativen Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf bestimmte Zeichnungen beschrieben, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern nur durch die Ansprüche.
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Darüber hinaus werden die Begriffe erste, zweite und dergleichen in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, um zwischen ähnlichen Elementen zu unterscheiden und nicht notwendigerweise für die Beschreibung einer Reihenfolge, entweder zeitlich, räumlich, in der Rangfolge oder in irgendeiner anderen Weise. Es versteht sich, dass die so verwendeten Begriffe unter geeigneten Umständen austauschbar sind und dass die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in anderen Sequenzen als den hier beschriebenen oder dargestellten betrieben werden können.
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Es ist zu beachten, dass der in den Ansprüchen verwendete Begriff „umfassend“ nicht so auszulegen ist, dass er auf die nachfolgend aufgeführten Mittel beschränkt ist; er schließt andere Elemente oder Schritte nicht aus. Er ist daher so zu interpretieren, dass er das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte oder Komponenten spezifiziert, aber das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte oder Komponenten oder Gruppen davon nicht ausschließt. Somit sollte der Umfang des Ausdrucks „eine Vorrichtung, die Mittel A und B umfasst“ nicht auf Vorrichtungen beschränkt werden, die nur aus den Komponenten A und B bestehen. Es bedeutet, dass im Hinblick auf die vorliegende Erfindung die einzigen relevanten Komponenten der Vorrichtung A und B sind.
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Die Bezugnahme in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher bezieht sich das Auftreten der Ausdrücke „in einer Ausführungsform“ oder „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise alle auf die gleiche Ausführungsform, kann aber. Darüber hinaus können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen in geeigneter Weise kombiniert werden, wie es für einen Fachmann aus dieser Offenbarung ersichtlich ist.
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In ähnlicher Weise ist zu verstehen, dass bei der Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung verschiedene Merkmale der Erfindung manchmal in einer einzigen Ausführungsform, Figur oder Beschreibung davon gruppiert werden, um die Offenbarung zu straffen und das Verständnis eines oder mehrerer der verschiedenen erfinderischen Aspekte zu unterstützen. Diese Art der Offenbarung ist jedoch nicht so zu interpretieren, dass die beanspruchte Erfindung mehr Merkmale erfordert, als in den einzelnen Ansprüchen ausdrücklich genannt sind. Vielmehr liegen, wie die folgenden Ansprüche widerspiegeln, erfinderische Aspekte in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen zuvor offenbarten Ausführungsform. Daher werden die auf die ausführliche Beschreibung folgenden Ansprüche hiermit ausdrücklich in diese ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich allein als separate Ausführungsform der Erfindung steht.
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Darüber hinaus, während einige hierin beschriebene Ausführungsformen einige, aber nicht andere Merkmale, die in anderen Ausführungsformen enthalten sind, umfassen, sind Kombinationen von Merkmalen verschiedener Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der Erfindung zu verstehen und bilden verschiedene Ausführungsformen, wie von den Fachleuten verstanden werden würde. Zum Beispiel kann in den folgenden Ansprüchen jede der beanspruchten Ausführungsformen in beliebiger Kombination verwendet werden.
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Es sollte beachtet werden, dass die Verwendung einer bestimmten Terminologie bei der Beschreibung bestimmter Merkmale oder Aspekte der Erfindung nicht so verstanden werden sollte, dass die Terminologie hier neu definiert wird, um auf bestimmte Eigenschaften der Merkmale oder Aspekte der Erfindung, mit denen diese Terminologie verbunden ist, beschränkt zu werden.
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In der hier vorliegenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Details aufgeführt. Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen der Erfindung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen wurden bekannte Methoden, Strukturen und Techniken nicht im Detail gezeigt, um das Verständnis dieser Beschreibung nicht zu verschlechtern.
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine LED-Beleuchtungsvorrichtung, bei der mindestens ein Parameter zur Regelung der Verlustleistung zwischen festen Komponenten und steuerbaren Teilen verwendet wird. Eine optimale Verlustleistung kann so über einen weiten Bereich von Versorgungsspannungen bei einem gegebenen Strom erreicht werden, indem die Möglichkeit geschaffen wird, den von einem einzigen Stromcontroller bereitgestellten Gesamtstrom in einen Strom durch die festen Komponenten und einen Strom durch die steuerbaren Teile aufzuteilen.
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Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung ist in 1 dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine oder mehrere LED-Einheiten (11), die jeweils eine oder mehrere LEDs (12) enthalten. Die LEDs in einer LED-Einheit können miteinander in Reihe oder parallel geschaltet sein. Bevorzugt wird eine Reihenschaltung, damit ein optimaler Spannungsabfall über den LEDs erreicht werden kann. Die LED-Beleuchtungsvorrichtung umfasst weiterhin ein festes Verlustleistungselement (13). Dieses Element (13) weist in bevorzugten Ausführungsformen ein ohmsches Verhalten auf und ist zum Beispiel ein Widerstand. Das feste Verlustleistungselement ist mit der LED-Einheit (11) in Reihe geschaltet.
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Die LED-Beleuchtungsvorrichtung der Erfindung umfasst einen LED-Controller (20). In bevorzugten Ausführungsformen ist der LED-Controller als integrierte Schaltung (IC) realisiert. Eine Versorgungsgleichspannung VS wird von einem Spannungscontroller (21) aufgenommen, der mehrere Komponenten des integrierten Schaltkreises wie z.B. einen Oszillator (22), einen Mikrocontroller (23) und andere mit einer niedrigeren Spannung als VS versorgt, wie in 1 gezeigt. Der LED-Controller hat einen oder mehrere LED-Steuerkanäle (30).
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In der Ausführungsform von 1 ist das feste Verlustleistungselement (13) parallel zu einem steuerbaren Verlustleistungselement (60) geschaltet.
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Das steuerbare Verlustleistungselement kann z. B. ein Transistor (61) sein, wie in 1 gezeigt. Der Transistor kann von jedem Typ sein, z. B. ein bipolarer NPN- oder PNP-Transistor, MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) vom P-Typ (PFET) oder N-Typ (NFET). Es kann auch eine Kombination aus diesen Transistoren sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es ein NFET (wie in 1 gezeigt).
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Ein Verlustleistungscontroller (50) ist so angeordnet, dass er einen oder mehrere Parameter empfängt und das steuerbare Verlustleistungselement (60) basierend auf diesen empfangenen Parametern regelt. Ein solcher Parameter ist zum Beispiel ein Spannungspegel für die einstellbare Gleichspannungsquelle (51) im Verlustleistungscontroller. Diese Spannung kann in einer Ausführungsform eine feste Spannung von z. B. 0,5 V sein, die bei der Herstellung oder in einem Kalibrierungsschritt eingestellt wird. In anderen Ausführungsformen kann es eine einstellbare Gleichspannung von z. B. 0,5V, 1,0V, 2V oder 3V sein, die von einem Mikrocontroller (23) z. B. über einen Digital-Analog-Wandler (70) eingestellt werden kann. In einigen praktischen Implementierungen wird der einstellbare Gleichspannungsquellenwert während eines Kalibrierungsschritts über eine Kommunikationsschnittstelle und physikalische Schicht (28) vom Mikrocontroller (23) empfangen und in einem nichtflüchtigen Datenspeicher (26) zur weiteren Verwendung gespeichert. In einer weiteren Ausführungsform kann der Gleichspannungsquellenwert durch den Mikrocontroller zu jedem Zeitpunkt in Abhängigkeit von anderen Parametern wie z. B. der Versorgungsspannung VS oder dem Strom durch die LEDs oder der Temperatur des LED-Controllers und anderen eingestellt werden.
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In der Ausführungsform von 1 umfasst der Verlustleistungscontroller einen Operationsverstärker (52). Der Operationsverstärker und der NFET (61) bilden eine Regelschleife, wobei die NFET-Gate-Spannung mittels des/der bereitgestellten Parameter(s), z. B. des einstellbaren Gleichspannungsquellenwerts, geregelt wird. Weitere Details finden sich später in dieser Beschreibung.
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Die Ausführungsform von 1 zeigt weiterhin, dass die parallel geschalteten, steuerbaren und festen Verlustleistungselemente in Reihe mit einem LED-Stromcontroller (41) geschaltet sind. Der LED-Stromcontroller umfasst z.B. eine steuerbare Stromquelle (42) und/oder ein schaltbares Element (43), um der LED-Einheit einen Strom zuzuführen. Das schaltbare Element kann z. B. ein weiterer Transistor sein, der durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert werden kann. Die PWM-Einstellung und die Einstellung der Stromquelle kann von einem Stromquellen- und PWM-Controller (40) bereitgestellt werden, der wiederum von einem Mikrocontroller (23) gesteuert wird. Der Mikrocontroller kann so eine Einstellung für den anzulegenden LED-Strom vorgeben.
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Der Verlustleistungscontroller (50), das steuerbare Verlustleistungselement (60), die Stromquelle und der PWM-Controller (40) und der LED-Stromcontroller (41) bilden in einer Ausführungsform einen LED-Steuerkanal (30), wie in 1 dargestellt. Abhängig von der Architektur für eine bestimmte Leuchte umfasst der LED-Controller (20) in bestimmten Ausführungsformen mehrere LED-Steuerkanäle (30). Die verschiedenen LED-Steuerkanäle sind parallel angeordnet und jeweils mit einer oder mehreren „eigenen“ LED-Einheiten (z. B. entsprechend einer Nebelschlussleuchte und einem Rücklicht in einem Beispiel mit zwei LED-Steuerkanälen) und einem jeweiligen festen Verlustleistungselement verbunden, das jeder Gruppe von (einer oder mehreren) LED-Einheiten zugeordnet ist.
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Wie bereits erwähnt, ist der LED-Controller in einer bevorzugten Ausführungsform ein integrierter Schaltkreis (IC). Eine der Eigenschaften des integrierten Schaltkreises ist die maximale Verlustleistung, die er tolerieren kann, um nicht beschädigt zu werden oder keine Fehlfunktion zu verursachen. Die Verlustleistung führt zu einer Erwärmung des ICs. Daher ist es auch möglich, eine maximal zulässige Sperrschichttemperatur anzugeben, die der maximal zulässigen Verlustleistung entspricht.
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Die Gesamtverlustleistung des integrierten Schaltkreises ist die Summe verschiedener Beiträge. Ein Teil ist die Leistungsaufnahme des integrierten Schaltkreises selbst, die sich als P = V*I berechnen lässt, wobei V die Versorgungsspannung VS und I die Stromaufnahme des ICs bezeichnet. Ein weiterer Beitrag ist die Verlustleistung im LED-Steuerkanal (30), die sich im Wesentlichen aus der Verlustleistung des steuerbaren Verlustleistungselements (60) und der Verlustleistung des LED-Stromcontrollers (41) und insbesondere der steuerbaren Stromquelle (42) zusammensetzt. Die Verlustleistung in dem steuerbaren Verlustleistungselement kann als P = V*I berechnet werden, wobei I der Strom durch das steuerbare Verlustleistungselement und V der Spannungsabfall über diesem Element ist. Wie aus 1 leicht zu erkennen ist, ist dies der Spannungsabfall über den Pins OUT1 und OUT2. Die Verlustleistung im LED-Stromcontroller kann aus dem Strom I, der der LED-Einheit zugeführt wird, und dem Spannungsabfall V über dem LED-Stromcontroller berechnet werden, der in 1 die Spannung am Pin OUT2 bezogen auf Masse ist. Die Verlustleistung über dem schaltbaren Element (43) ist in diesem Fall vernachlässigbar, da dessen Durchlasswiderstand sehr klein ist. Somit ist dann auch der interne Spannungsabfall über dem schaltbaren Element (43) sehr klein, z.B. 10 bis 100 mal kleiner als der Spannungsabfall über der steuerbaren Stromquelle (42).
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Falls mehrere LED-Steuerkanäle (30) vorhanden sind, muss natürlich die Verlustleistung in allen Kanälen berücksichtigt werden. Die Gesamtverlustleistung der integrierten Schaltung ergibt sich dann aus der Summe, wobei die Verlustleistung in allen Kanälen berücksichtigt wird.
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Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, dass für einen maximalen LED-Strom, der von einem LED-Steuerkanal bereitgestellt werden soll, die Verlustleistung der integrierten Schaltung reduziert werden kann, indem der Spannungsabfall über dem steuerbaren Verlustleistungselement (60) und/oder der Spannungsabfall über dem LED-Stromcontroller (41) verringert wird.
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Im Folgenden wird der oben erwähnte Regelkreis für das steuerbare Verlustleistungselement (60) näher vorgestellt. Der Regelkreis ist in 1 durch den Operationsverstärker (52), die einstellbare Gleichspannungsquelle (51), die ein Spannungssignal an den invertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers anlegt, und einen NFET-Transistor (61), der an seinem Gate das Verstärkerausgangssignal empfängt, aufgebaut.
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Angenommen, am negativen Eingang des Operationsverstärkers liegt eine Spannung von z. B. 0,5 V an. Der positive Eingang ist sowohl mit der NFET-Source als auch mit der Ausgangsklemme des LED-Stromcontrollers OUT2 des LED-Steuerkanals (30) verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit dem NFET-Gate verbunden. Die NFET-Source ist ferner über den Anschluss (OUT2) mit dem einen Anschluss des festen Verlustleistungselements (13) verbunden, während sein Drain über den anderen Anschluss (OUT1) des LED-Steuerkanals (30) mit dem anderen Anschluss des festen Verlustleistungselements verbunden ist. OUT1 ist ferner auch mit der LED-Einheit (11) verbunden. Die LED-Einheit wird mit einer Gleichspannung VS versorgt, die z.B. zwischen 9V und 18V liegen kann.
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Wenn die Spannung am positiven Eingang des Operationsverstärkers positiver ist als am negativen Eingang, regelt der Operationsverstärker seinen Ausgang auf 0 V, so dass der Transistor nicht leitet. Daher fließt nahezu 100 % des Stroms über das feste Verlustleistungselement, d. h. in der Konfiguration von 1 den externen Widerstand (13).
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Es wird ein Beispiel mit drei LEDs in Reihenschaltung mit einer Vorwärtsspannung von je 2,5V, einem maximalen LED-Strom von 100mA, einem Widerstand von 50 Ohm und einer Versorgungsspannung VS von 18V betrachtet. Dies führt zu einem externen Spannungsabfall von Vled + Vwiderstand = 3*2,5V + 500hm*100mA = 7,5V + 5V = 12,5V. An OUT1 liegt also eine Spannung Vout1 = VS - Vled = 18V-7,5V = 10,5V. An OUT2 liegt die Spannung Vout2 = Vout1-Vresistor = 10,5V-5V = 5,5V. Da die Spannung an OUT2 und damit am positiven Eingang des Operationsverstärkers viel größer ist als die 0,5V am negativen Eingang, wird der Ausgang des Operationsverstärkers tatsächlich auf 0V geregelt, so dass der NFET nicht leitend ist. Wie schon vorher berechnet, beträgt die Verlustleistung im LED-Stromcontroller (40) 5,5V*100mA=550mW.
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Fällt die Versorgungsspannung auf VS = 9V bei einem maximalen LED-Strom von 100mA (derselbe Strom wie im vorherigen Beispiel zur Aufrechterhaltung einer konstanten Lichtleistung), beträgt die Spannung an OUT1 9V-3*2,5V = 1,5V. Der Strom durch das feste Verlustleistungselement (13) erzeugt einen Spannungsabfall von OUT1 zu OUT2. Die Spannung am Knoten OUT2 kann nicht kleiner als die Spannung von 0,5V am negativen Eingang des Operationsverstärkers sein, da der Operationsverstärker mit dem NFET einen Regelkreis bildet, solange die Spannung an OUT1 noch größer als 0,5V am negativen Eingang des Operationsverstärkers ist. Der Operationsverstärker liefert an seinem Ausgang, also am NFET-Gate eine Spannung, so dass der NFET leitet und einen Teil des LED-Stroms übernimmt. Der andere Teil des LED-Stroms fließt in das feste Verlustleistungselement (z. B. ein externer Widerstand). Es kann folgende Verlustleistungsbilanz berechnet werden. Der Strom durch den externen Widerstand ist I = (VOUT1-VOUT2)/R = (1,5V-0,5V)/500hm = 20mA. Das bedeutet, dass ein Strom von 80mA durch den NFET-Baustein fließt. Die Verlustleistung durch den NFET-Baustein kann berechnet werden als P1 = (VOUT1-VOUT2)*I = 1V*80mA = 80mW. Die Verlustleistung im LED-Stromcontroller kann berechnet werden als P2 = VOUT2*I = 0,5V*100mA = 50mW. Die Summe P1 + P2 = 130mW ist die Verlustleistung im internen LED-Steuerkanal (30).
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Die Spannungen VOUT1 = 1,5V, VOUT2 = 0,5V ergeben sich aus einer minimalen Versorgungsspannung VS=9V und einem maximalen LED-Strom von I=100mA. Das bedeutet, dass mit der beschriebenen Lösung ein Versorgungsspannungsbereich von 9V - 18V bei einem maximalen LED-Strom von 100mA unterstützt werden kann und trotzdem die Verlustleistung außerhalb der integrierten Schaltung (20) maximal bleibt.
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Der Fachmann wird leicht erkennen, dass die vorgeschlagene Lösung auf einen beliebigen Bereich von Spannungen oder Strömen konfigurierbar ist, indem z. B. der Widerstandswert des externen Widerstands (13) und/oder die Gleichspannung der einstellbaren Gleichspannungsquelle (51) eingestellt wird. Durch die richtige Konfiguration beider Werte kann ein Gleichgewicht zwischen der Verlustleistung des steuerbaren Verlustleistungselements (60), des festen Verlustleistungselements (13) und des LED-Stromcontrollers (41) gefunden werden, was zu einer optimalen Verlustleistung der integrierten Schaltung führt. In der Praxis ist der Hauptverursacher der Verlustleistung im LED-Stromcontroller (41) die schaltbare Stromquelle (42). Die Verlustleistung im schaltbaren Element (43) für die PWM-Steuerung kann vernachlässigt werden, da dessen „Ein“-Widerstand wie bereits erwähnt sehr klein ist.
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Der NFET wird zeitkontinuierlich geregelt. Das bedeutet, dass jede Änderung entweder des/der Parameter(s) (z. B. der bereitgestellten Gleichspannung) oder der Versorgungsspannung eine unmittelbare Auswirkung auf das Gleichgewicht zwischen den Strömen im externen Widerstand und dem NFET hat. Da die Regelung zeitkontinuierlich erfolgt, können Störungen im elektromagnetischen Spektrum vermieden werden, was vorteilhaft für die Reduzierung der elektromagnetischen Emission ist.
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Je nach Transistortyp (61) kann der Operationsverstärker eine zusätzliche invertierende Stufe oder eine andere Schnittstellenstufe benötigen, um einen Regelkreis zwischen dem Verlustleistungscontroller (50) und dem steuerbaren Verlustleistungselement (60) aufzubauen. Zum Beispiel muss der NFET eine positive Gate-Source-Spannung erhalten, die größer als seine Schwellenspannung ist, um zu leiten, während ein PFET eine negative Gate-Source-Spannung (negativer als seine negative Schwellenspannung) erhalten muss, um zu leiten. Jeder geeignete Typ von Schnittstellenstufe kann mit der Erfindung verwendet werden.
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In einer anderen Ausführungsform kann der Verlustleistungscontroller (50) so eingerichtet sein, dass er das steuerbare Verlustleistungselement (60) in Abhängigkeit von einem Parameter „ein“ und „aus“ schaltet. Das steuerbare Verlustleistungselement verhält sich tatsächlich wie ein Schalter, wobei der „Ein-Zustand“ durch einen sehr niedrigen ohmschen Widerstand (z.B. 5 Ohm oder 2 Ohm oder 1 Ohm oder 0,5 Ohm oder 0,1 Ohm oder kleiner) und der „Aus-Zustand“ durch einen sehr hohen ohmschen Widerstand (z.B. 100 kOhm oder 500 kOhm oder 1 MOhm oder größer) gekennzeichnet ist. Die Spannung an OUT2 kann als Parameter dienen. Eine EIN-Schwelle zum Einschalten des steuerbaren Verlustleistungselements (60) kann z.B. auf einen Pegel THon = VOUT2on eingestellt werden, z.B. 0,5V. Bei einem AUS-Schwellwertpegel THoff = VOUT2off (z.B. 0,55V) wird das steuerbare Verlustleistungselement (60) ausgeschaltet. Die Hysterese zwischen diesen beiden Schwellenwerten vermeidet ein Schwingen des Schalters aufgrund elektromagnetischer Störungen. Dies ist eine häufig anzutreffende Herausforderung in einer Automobilumgebung.
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Das steuerbare Verlustleistungselement (60) wird hier zeitdiskret geregelt. Das bedeutet, dass jede Änderung entweder des/der Parameter(s) (z. B. der DC-Schwellenwerte) oder der Versorgungsspannung nur dann eine Auswirkung auf das Gleichgewicht zwischen den Strömen im externen Widerstand und im NFET hat, wenn eine Bedingung für das Schalten erfüllt ist.
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Der Mikrocontroller (23) ist so angeordnet, dass er den einen oder die mehreren Parameter bereitstellt, die von dem Verlustleistungscontroller (50) verwendet werden, um das steuerbare Verlustleistungselement (60) zu regeln. Jeder Parameter, der ein Maß für die Verlustleistung in der integrierten Schaltung (20) darstellt, kann als Kontrollparameter für den Verlustleistungscontroller (50) verwendet werden. Beispiele sind die interne Temperatur, die Versorgungsspannung, die Spannung an OUT2 (wie bereits beschrieben), die Spannungsdifferenz zwischen VOU1 und VOUT2, der den LEDs zugeführte Strom usw.. Auch der Widerstandswert des festen Verlustleistungselements (13) kann als Parameter betrachtet werden.
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Der LED-Stromwert kann in einigen Ausführungsformen durch den Mikrocontroller (23) auf der Grundlage des Spannungsabfalls über dem externen Widerstand (13) mit einem bekannten Widerstandswert berechnet werden. In anderen Ausführungsformen kann der Strom aus einer im nichtflüchtigen Datenspeicher (26) gespeicherten Nachschlagetabelle bekannt sein. Jede Einstellung der Stromquelle und des PWM-Controllers (40) führt zu einem bestimmten LED-Strom. Diese Beziehung kann in der Nachschlagetabelle gespeichert sein. Der Mikrocontroller stellt diese LED-Strominformation dann dem Verlustleistungscontroller (50) zur Verfügung, wo sie im Regelkreis mit dem steuerbaren Verlustleistungsglied (60) verwendet wird bzw. um das Schaltverhalten des steuerbaren Verlustleistungsglieds (60) wie bereits oben beschrieben auszulösen.
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Im Allgemeinen kann der/die vom Verlustleistungscontroller (50) verwendete(n) Parameter z. B. mit einem Diagnoseblock und/oder ADC und/oder einem Temperatursensor gemessen werden, der in 1 als Funktionsblock (29) dargestellt ist. Der ADC hat z. B. mehrere Eingangskanäle, so dass entweder die Versorgungsspannung VS oder die Spannung an OUT2 oder die Spannungsdifferenz zwischen OUT 1 und OUT 2 usw. gemessen werden kann. In einigen Ausführungsformen kann der ADC diese Messungen an den Mikrocontroller (23) weitergeben. In ähnlicher Weise kann ein Temperatursensor seinen Messwert an den Mikrocontroller (23) weitergeben. In einigen Ausführungsformen ist der Mikrocontroller (23) so angeordnet, dass er den ADC oder den Temperatursensor ansteuert, um diese Messungen durchzuführen.
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In einigen Ausführungsformen kann der Verlustleistungscontroller (50) mehr als einen Parameter verwenden. Die Regelung kann dann auf mehreren Parametern beruhen, die die Verlustleistung in der integrierten Schaltung (20) angeben, z. B. die Versorgungsspannung VS und die Temperatur. Auch andere Parameterkombinationen sind möglich.
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Der Mikrocontroller (23) kann geeignet sein, die Messungen zu sammeln und weiter zu verarbeiten, um einen oder mehrere Parameter zu erhalten, die anschließend vom Verlustleistungscontroller (50) verwendet werden können. Wie zuvor beschrieben, kann eine Gleichspannung von 0,5 V am negativen Eingang des Operationsverstärkers für den Regelkreis des Operationsverstärkers zusammen mit dem NFET verwendet werden. Diese Spannung wird in einigen Ausführungsformen vom Mikrocontroller über einen Digital-Analog-Wandler DAC (70) dem Operationsverstärker zur Verfügung gestellt. Diese Spannung von z.B. 0,5V kann für einen LED-Strom von z.B. 50mA - 100mA verwendet werden. Für einen Strom von weniger als 50mA könnte dann eine Spannung von z.B. 1V für die Regelung verwendet werden. Basierend auf der Information über den Strom, der entweder vom Mikrocontroller gemessen oder wie bereits erwähnt aus einer Look-Up-Tabelle gelesen wird, kann die Spannungseinstellung vorgenommen werden. Dies bietet den Vorteil, dass immer eine optimale Verlustleistung in der integrierten Schaltung erreicht werden kann.
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Jeder Parameter, der von der Verlustleistungssteuerung (50) weiterverwendet wird, kann zunächst eine Verarbeitung erfahren. Da der Mikrocontroller (23) auch eine zentrale Verarbeitungseinheit (24), einen Direktzugriffsspeicher (25) und einen nichtflüchtigen Programmspeicher (27) umfasst, ist die LED-Beleuchtungsvorrichtung so eingerichtet, dass sie auch komplexere Berechnungen durchführen kann.
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Der LED-Controller/-integrierte Schaltkreis (20) bildet in einigen Ausführungsformen eine einzelne Komponente, die mit der LED-Einheit (11) und dem festen Verlustleistungselement (13) verwendet wird. Wie oben erwähnt, kann die LED-Einheit eine einzelne LED oder eine Vielzahl von LEDs in Reihe haben, z. B. 2 oder 3 oder 4 LEDs. Das feste Verlustleistungselement ist z.B. ein Widerstand von z.B. 10 Ohm, 50 Ohm, 100 Ohm, 200 oder 500 Ohm. Der integrierte Schaltkreis ist sich nicht bewusst, welche Konfiguration außerhalb des ICs verwendet wird. In einigen Ausführungsformen leitet der integrierte Schaltkreis während einer Initialisierungsschleife die externe Konfiguration ab. Dies geschieht z. B. beim erstmaligen Einschalten der Versorgungsspannung. Der Mikrocontroller (23) kann die angelegte Versorgungsspannung messen und dabei den ADC zur Digitalisierung des gemessenen Spannungswertes verwenden. Der Mikrocontroller kann weiterhin über die Stromquelle und den PWM-Controller einen LED-Stromwert bereitstellen, der z. B. in einer Look-Up-Tabelle gespeichert wurde, wie zuvor beschrieben. Der Mikrocontroller ist in Ausführungsformen weiterhin so angeordnet, dass er die Spannung an OUT1 und OUT2 misst, wobei die gemessenen Spannungswerte mit Hilfe des ADC digitalisiert werden. Anhand dieser Informationen kann die Anzahl der LEDs (12) in der LED-Einheit (11) sowie der Widerstand des externen Widerstands (13) abgeleitet werden. Der Mikrocontroller kann diese Informationen im nichtflüchtigen Datenspeicher (26) zur weiteren Verwendung speichern. Anhand dieser Informationen kann der Mikrocontroller geeignete Parameter ableiten und dem Verlustleistungscontroller (50) zur Verfügung stellen.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Konfiguration außerhalb des ICs bekannt. Die bekannte Konfiguration (die u. a. die Anzahl der LEDs, den Widerstandswert des festen Verlustleistungselements, ... enthält) wird in einem oder mehreren Kalibrierungsschritten über eine Kommunikationsschnittstelle und eine physikalische Schicht (28) dem Mikrocontroller (23) zur Verfügung gestellt, der die Konfiguration im nichtflüchtigen Datenspeicher (26) zur weiteren Verwendung speichert. Anstelle der Bereitstellung von Konfigurationsinformationen während einer Kalibrierungsphase können stattdessen die vom Verlustleistungscontroller (50) verwendeten Parameter bereitgestellt werden.
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In einigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung kann die Versorgungsspannung VS auch dem Verlustleistungscontroller (50) zugeführt werden. Es kann in bestimmten Ausführungsformen eine bidirektionale Kommunikation von Informationen zwischen dem Mikrocontroller (23) und dem Verlustleistungscontroller (50) bestehen. Dies ermöglicht den Aufbau einer Kommunikationsverbindung zwischen dem Verlustleistungscontroller und dem Funktionsblock (29), der einen Diagnoseblock/ADC/Temperatursensor umfasst, wodurch z. B. während eines Kalibrierungs- oder Initialisierungsprozesses Messungen durchgeführt werden können, die an den Mikrocontroller weitergeleitet werden, um die Einstellung(en) des mindestens einen Parameters anzupassen, wie bereits oben beschrieben.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das steuerbare Verlustleistungselement (60) als externes Bauelement angeordnet, d.h. es ist nicht Teil der integrierten Schaltung (20) und des LED-Steuerkanals (30). In dieser Ausführungsform steuert jedoch der LED-Steuerkanal (30) das steuerbare Verlustleistungselement (60). Ein solcher Aufbau ist sinnvoll, wenn die Anzahl der LED-Steuerkanäle hoch ist. Die natürliche Verlustleistung des integrierten Schaltkreises aufgrund der eigenen Leistungsaufnahme und der LED-Ströme, die den verschiedenen LED-Einheiten zur Verfügung gestellt werden müssen, ist bereits sehr hoch. Die Verlustleistung der mehreren steuerbaren Verlustleistungselemente (60) würde dann nicht mehr zur maximal zulässigen Verlustleistung der integrierten Schaltung (20) passen.
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Die 3, 4 und 5 zeigen Ergebnisse gemäß der in 1 offenbarten Ausführungsform. Das steuerbare Verlustleistungselement (60) ist ein NFET-Transistor (61), der von einem Operationsverstärker (52) gesteuert wird. Als festes Verlustleistungselement 13 wurde ein Widerstand gewählt. Als konfigurierbare Parameter werden für die Gleichspannungsquelle (51) einstellbare Werte von 1V und 3V und für das feste Verlustleistungselement (13) Widerstandswerte von 60 Ohm, 120 Ohm und 180 Ohm angenommen.
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Die steuerbare Stromquelle (42) sowie der NFET (61) sind Teil einer integrierten Schaltung (20) in 1. Eine begrenzte Menge an interner Verlustleistung ist erlaubt. Beide Elemente sind Teil eines LED-Steuerkanals (30) und werden als Hauptverursacher der Verlustleistung der integrierten Schaltung angesehen. Die anderen Elemente des LED-Steuerkanals können vernachlässigt werden, da ihr Beitrag zur Verlustleistung in diesem LED-Steuerkanal mit etwa 1 bis 2 % relativ gering ist. In den Ergebnissen von 3, 4 und 5 ist nur ein LED-Steuerkanal dargestellt. Wenn mehr als ein LED-Steuerkanal in der integrierten Schaltung vorhanden ist, müssen sie alle berücksichtigt werden.
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In 3 wird eine Gleichspannung von 1V an den negativen Eingang des Operationsverstärkers angelegt. Die Versorgungsspannung VS wird zwischen 0V und 17V gesweept. Die Stromquelle ICS liefert einen Strom von 60mA, der auch der Strom durch die LED-Einheit ist. Bei einer Versorgungsspannung von VS=4V ist die Stromquelle voll funktionsfähig und liefert den gewählten Strom von 60mA.
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Aufgrund der Regelung wird der Strom der Stromquelle entweder durch den externen Widerstand (IRES) oder den internen NFET-Transistor (ITRAN) getrieben. Mit anderen Worten, der Gesamtstrom IRES+ITRAN bleibt bei 60mA im Betriebsspannungsbereich der integrierten Schaltung (20) und insbesondere der steuerbaren Stromquelle (42) erhalten. Zu jedem Zeitpunkt werden die von der Stromquelle ICS bereitgestellten 60mA in einen Anteil IRES und einen Anteil ITRAN aufgeteilt. Je nach gewähltem Wert des externen Widerstandes (120 Ohm oder 180 Ohm) kann die Kommutierung des Stromes vom NFET zum Widerstand in x-Richtung verschoben werden, d.h. bei einer anderen Versorgungsspannung erfolgen.
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Der Vollständigkeit halber ist auch die bereitgestellte Ausgangsspannung von VOUT2 dargestellt. Solange der NFET-Transistor einen Strom führt, wird diese Spannung konstant geregelt. Erst wenn der Strom vollständig vom NFET zum externen Widerstand kommutiert ist, beginnt die Spannung von VOUT2 der steigenden Versorgungsspannung folgend zu steigen. Es ist zu erkennen, dass der LED-Strom über einen weiten Versorgungsspannungsbereich von VS=4V bis 18V (der in diesem Beispiel als Betriebsversorgungsspannungsbereich der integrierten Schaltung angenommen wurde) bereitgestellt werden kann, wodurch das eingangs beschriebene Problem gelöst wird.
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4 ist äquivalent zu 3 und zeigt die Verlustleistungsverteilung über die verschiedenen Elemente bei steigender Versorgungsspannung VS. PCS ist die Verlustleistung der Stromquelle und PTRAN die Verlustleistung des NFET-Transistors. Beide summieren sich zu der Verlustleistung des LED-Steuerkanals im integrierten Schaltkreis PIC. PRES ist die Verlustleistung des externen Widerstandes. Es ist zu erkennen, dass sich aufgrund des Regelkreises lokale Maxima der Leistungsverteilung des LED-Steuerkanals PIC bilden. PIC muss immer kleiner sein als die gesamte maximal zulässige Verlustleistung der integrierten Schaltung. Diese lokalen Maxima der Verlustleistung PIC können durch die Wahl des externen Widerstandswerts in x-Richtung verschoben werden. Es ist weiterhin zu erkennen, dass der Maximalwert in seinem Bereich von 300 bis 400mW auch leicht einstellbar ist.
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5 ist entsprechend zu 4. Es wurde ein Widerstandswert des externen Widerstands von 60 Ohm gewählt. Die einstellbare Gleichspannungsquelle (51) wurde als weiterer Parameter auf DC=1V bzw. 3V eingestellt. Mit der einstellbaren Gleichspannungsquelle kann die interne Verlustleistung eines LED-Steuerkanals im integrierten Schaltkreis PIC auf ihren Maximalwert bei gegebenem Versorgungsspannungspegel VS optimiert werden. Bei Versorgungsspannungen oberhalb von 8,5V (DC=1V) und oberhalb von 10,5V (DC=3V) fallen jedoch die beiden Leiterbahnen PIC und PCS zusammen, so dass die maximale Verlustleistung PIC bei maximaler Versorgung von 17V etwa 575mW beträgt, was höher ist als in 3. Durch Anpassung des externen Widerstandes kann die Verlustleistung, insbesondere bei höheren Spannungen, nochmals reduziert werden.
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4 und 5 verdeutlichen, dass sich lokale Maxima der internen Verlustleistung eines LED-Steuerkanals im integrierten Schaltkreis bei einer Versorgungsspannung von VS = 4V...6V und bei sehr hohen Versorgungsspannungen von 15 bis 17 V ausbilden. Die typische Versorgungsspannung für eine Fahrzeugrücklichtanwendung liegt zwischen 12V und 13V. Das Leuchtdioden (LED)-Leuchtmittel (10) wird über seine Lebensdauer meist mit dieser Versorgungsspannung von 12V ä 13V versorgt und nur selten weicht die Versorgungsspannung davon ab. Die Regelung zielt daher darauf ab, bei einer Versorgung von 12V bis 13V eine minimale Verlustleistung der LED-Steuerkanäle zu haben, da dies für eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit des LED-Beleuchtungsgerätes (10) bevorzugt wird. Die Parameter werden so eingestellt, dass dieses Ziel erreicht wird. Mit dieser Regelbedingung wird auch die Verlustleistung der integrierten Schaltung (20) auf ein Minimum geregelt.
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Es hat sich gezeigt, dass mit dem offenbarten Regelkreis, der auf Parametern für die Gleichspannungsquelle (51) und den externen Widerstand (13) basiert, die Verlustleistung eines LED-Steuerkanals so eingestellt werden kann, dass eine maximal zulässige Verlustleistung einer integrierten Schaltung über einen weiten Bereich von Versorgungsspannungswerten VS nicht überschritten wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Beleuchtungseinrichtung mit Leuchtdioden (LED)
- 11
- LED-Einheit
- 12
- LED
- 13
- Festes Verlustleistungselement
- 20
- LED-Controller / integrierte Schaltung
- 21
- Spannungscontroller
- 22
- Oszillator
- 23
- Microcontroller
- 24
- Zentralverarbeitungseinheit (CPU)
- 25
- Random Access Memory (RAM)
- 26
- Nichtflüchtiger Datenspeicher
- 27
- Nichtflüchtiger Programmspeicher
- 28
- Kommunikationsschnittstelle und physikalische Schicht
- 29
- Diagnoseblock / Analog-Digital-Wandler / Temperatursensor
- 30
- LED-Steuerkanal
- 40
- Stromquelle und PWM-Controller
- 41
- LED-Stromcontroller
- 42
- Steuerbare Stromquelle
- 43
- Schaltbares Element
- 50
- Verlustleistungscontroller
- 51
- Einstellbare Gleichspannungsquelle
- 52
- Operationsverstärker
- 60
- Steuerbares Verlustleistungselement
- 61
- Transistor
- 70
- Digital-Analog-Wandler (DAC)
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Während die Erfindung in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung detailliert dargestellt und beschrieben wurde, sind diese Darstellung und Beschreibung als illustrativ oder beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten. Die vorstehende Beschreibung stelle bestimmte Ausführungsformen der Erfindung detailliert dar. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass unabhängig davon, wie detailliert das Vorstehende im Text erscheint, die Erfindung in vielerlei Hinsicht praktiziert werden kann. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
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Andere Variationen zu den offenbarten Ausführungsformen können von den Fachleuten in der Praxis der beanspruchten Erfindung, aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und durchgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „an“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen aufgeführter Elemente erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen erwähnt werden, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft eingesetzt werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem geeigneten Medium gespeichert/verteilt werden, z. B. auf einem optischen Speichermedium oder einem Festkörpermedium, das zusammen mit oder als Teil einer anderen Hardware geliefert wird, es kann aber auch in anderen Formen verteilt werden, z. B. über das Internet oder andere drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme. Alle Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs zu verstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7612506 B1 [0012]
- US 10420178 B2 [0013]
- US 2012319587 A1 [0014]
- US 2016219670 [0015]
