DE10329367A1

DE10329367A1 - LED-Kette, LED-Array und LED-Modul

Info

Publication number: DE10329367A1
Application number: DE10329367A
Authority: DE
Inventors: Simon BLÜMEL; Harald Stoyan
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-07-01
Also published as: DE10329367B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine LED-Kette mit mindestens einer LED, wobei im Pfad der LED-Kette eine Konverterschaltung vorgesehen ist, die unabhängig von einer äußeren Einflussgröße einen vorgegebenen Strom durch die LED-Kette einprägt. Die auf die Konverterschaltung einwirkende äußere Einflussgröße kann durch die Umgebungstemperatur oder Umgebungshelligkeit oder die von der LED-Kette emittierte Abstrahlung dargestellt sein. Die Erfindung betrifft weiterhin ein LED-Array mit einer derart ausgebildeten LED-Kette, wobei das LED-Array (2) wenigstens eine weitere LED-Kette (LK1...LKn) mit mindestens einer LED (10) aufweist und der Serienanordnung aus der Konverterschaltung (8) und der Referenz-LED-Kette (LKR) parallel geschalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine LED-Kette mit mindestens einer LED, ein LED-Array sowie ein LED-Modul.
Üblicherweise sind derartige LED-Ketten oder LED-Arrays im Betrieb mit einer Stromquelle verbunden, die die LED-Kette oder das LED-Array mit einem Betriebsstrom versorgt, wobei Betriebsstrom bzw. Betriebsspannung fest vorgegeben sind.
Oftmals ist für eine LED-Kette oder ein LED-Array eine Untergrenze für die erzeugte Strahlung spezifiziert, die nicht unterschritten werden darf. Dies gilt insbesondere bei Verwendung in Signalanlagen, wie beispielsweise Verkehrsampeln oder Bahnsignalen. Aus Gründen der Verkehrssicherheit ist hier auf die Einhaltung der vorgeschriebenen Untergrenzen, die sich in der Regel auf die Lichtleistung beziehen, besonders zu achten.
Aufgrund von Alterungserscheinungen sinkt bei LEDs und damit bei LED-Ketten oder -Arrays der genannten Art mit zunehmender Betriebsdauer die Strahlungsausbeute. Um die Einhaltung von vorgegebenen Untergrenzen während der gesamten Lebensdauer eines LED-Rrrays oder einer LED-Kette zu gewährleisten, ist z.B. eine Überdimensionierung oder ein Betrieb mit einer erhöhten Betriebsspannung erforderlich. Diese Maßnahmen sind jeweils so zu bemessen, dass auch im ungünstigsten Fall gegen Ende der Lebensdauer eine ausreichende Lichtleistung über der vorgegebenen Untergrenze erreicht wird. Dabei wird in Kauf genommen, dass zu Beginn des Betriebs wesentlich mehr Licht erzeugt wird als für die vorgegebene Funktion des LED-Arrays oder der LED-Kette erforderlich wäre. Durch eine Überdimensionierung einer LED-Kette oder eines LED-Arrays steigen einerseits dessen Herstellungskosten, andererseits führt eine erhöhte Betriebsspannung zu höheren Betriebskosten und möglicherweise zu einer beschleunigten Alterung.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine LED-Kette sowie ein LED-Array zu schaffen, die bzw. das auch im Langzeitbetrieb eine möglichst konstante Strahlungsleistung aufweist. Weiterhin soll ein LED-Modul mit einem solchen LED-Array entwickelt werden.

Diese Aufgabe wird mit einer LED-Kette mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, mit einem LED-Array mit den Merkmalen des Patentanspruches 6 bzw. mit einem LED-Modul mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.

Um auch im Langzeitbetrieb eine konstante Strahlungsleistung einer LED-Kette gewährleisten zu können, wurden bislang teure Mikroprozessoren bzw. spezielle LED-Treiber-Chips eingesetzt, die den Strom durch die LED-Kette bzw. durch das LED-Array regeln. Bei diesen Mikroprozessoren oder LED-Treiber-Chips handelt es sich um separate Bauelemente, die elektrisch mit der LED-Kette bzw. dem LED-Array verschaltet werden. Hieraus ergibt sich eine insgesamt teure Anordnung, die über die LED-Kette bzw. das LED-Array hinaus zusätzlichen Platz für den Mikroprozessor bzw. den LED-Treiber-Chip beansprucht.

Der Erfindung liegt hingegen die Idee zugrunde, im Pfad der LED-Kette eine Konverterschaltung vorzusehen, die unabhängig von einer äußeren Einflussgröße einen vorgegebenen Strom durch die LED-Kette einprägt. Die erfindungsgemäße LED-Kette ermöglicht einen Verzicht auf eine separate Treiber-Anordnung. Hierdurch lässt sich eine insgesamt wesentlich günstigere Anordnung herstellen. Der Platzbedarf wird ebenfalls minimiert.

Vorteilhafterweise muss ein solche LED-Kette zu Beginn des Betriebs praktisch nicht über den Mindestanforderungen betrieben werden. Dadurch ergibt sich von Beginn an eine niedrige Bestromung, die zu einer höheren Lebensdauer der LED-Kette führt. Zudem ist der Betrieb des Moduls aufgrund des geringeren elektrischen Leistungsbedarfs kostengünstiger.

Die Nachführung der Bestromung stellt sicher, dass die optischen Mindestanforderungen während der gesamten Lebensdauer unabhängig von den äußeren Einflüssen wesentlich zuverlässiger als bei herkömmlichen LED-Ketten mit fest vorgegebenen Werten für Betriebsspannung bzw. Betriebsstrom eingehalten werden.

Die Konverterschaltung ist in der Lage, unabhängig von der im Bereich der LED-Kette herrschenden Umgebungstemperatur oder – helligkeit den vorgegebenen Strom durch die LED-Kette konstant zu halten. Insbesondere ist die Konverterschaltung in der Lage, einen vorgegebenen, definierten Strom unabhängig von diesen Einflussgrößen in die LED-Kette einzuprägen.

Es ist dabei unerheblich, ob die Helligkeit durch die Umgebung oder die von der LED-Kette emittierte Abstrahlung bedingt ist. Vorteilhafterweise können hierdurch sowohl äußere Umgebungseinflüsse als auch die sich im Verlauf der Alterung reduzierende Strahlungsleistung ausgeglichen werden.

Bei einer konventionellen LED-Kette würde sich, einhergehend mit einer verringerten Abstrahlung aufgrund von Alterungserscheinungen, auch der durch die LED-Kette fließende Strom verringern. Dieser physikalisch bedingte Vorgang wird durch die Konverterschaltung egalisiert, da der einmal vorgegebene Strom unabhängig von äußeren Umständen durch die LED-Kette konstant gehalten wird.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Konverterschaltung ein Detektionselement mit einem in Serie verschalteten Widerstand sowie einen Transistor mit einem Widerstand in einen ersten Hauptzweig und mit der LED-Kette im zweiten Hauptzweig auf, wobei der Knotenpunkt zwischen dem Detektionselement und dem Widerstand mit dem Basisanschluß des Transistors verbunden ist.

Bei dem Detektionselement kann es sich um eine Fotodiode handeln, die auf Änderungen der Helligkeit, sei es durch die Umgebung oder die von der LED-Kette emittierte Abstrahlung, reagiert. Es kann sich auch um ein temperaturempfindliches Bauteil handeln, insbesondere einen NTC-Widerstand, welcher die den Strom einer LED-Kette beeinflussenden Umgebungstemperatur berücksichtigt. Auch die Temperatur einer oder mehrerer LEDs oder einer die LED-Kette bzw. Konverterschaltung tragenden Leiterplatte kann hierbei einbezogen werden. Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung als Detektionselement jedes Bauelement, das eine gesteuerte Stromquelle darstellt, verwendet werden. So kann beispielsweise der Strom der LED-Kette mittels einer spannungsgesteuerten Stromquelle durch Änderung der Steuerspannung, etwa durch Rückkopplung, manuelle Veränderung oder einen Regelkreis, geregelt werden.

Durch den in Serie mit dem Detektionselement geschalteten Widerstand wird das Basispotential des Transistors und entsprechend dessen Basisstrom in Abhängigkeit des durch das Detektionselement fließenden Stroms verändert. In gleicher Weise ändert sich der Strom durch die LED-Kette, der zu einem Anfangszeitpunkt, beispielsweise dem Betriebsbeginn, durch das Verhältnis der beiden Widerstände und die Anfangsbedingungen für das Detektionselement voreingestellt ist. Nimmt zum Beispiel die Helligkeit der Umgebung ab, so verringert sich bei einer Fotodiode als Detektionselement der durch die Fotodiode fließende Strom, das Basispotential des Transistors wird größer bzw. der Basisstrom kleiner. Damit sinkt auch – je nach Stromverstärkung des Transistors – der Strom durch die LED-Kette.

Das erfindungsgemäße LED-Array weist eine LED-Kette mit den oben beschriebenen Merkmalen auf, die nachfolgend als Referenz-LED-Kette bezeichnet wird. Darüber hinaus weist das LED-Array wenigstens eine weitere LED-Kette mit mindestens einer LED auf, wobei die wenigstens eine weitere LED-Kette der Anordnung aus der Konverterschaltung und der Referenz-LED-Kette parallel geschaltet ist.

Das Vorsehen mehrerer, parallel geschalteter LED-Ketten ermöglicht großflächige Signalanlagen. Darüber hinaus erhöht sich die Redundanz der Signalanlage, da beim Ausfall einer einzelnen LED-Kette die Signalisierung über die weiteren, vorhandenen LED-Ketten möglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zu der Referenz-LED-Kette und zu jeder weiteren LED-Kette jeweils eine Regelanordnung in Serie geschalten. Die Regelanordnungen dienen zur Einstellung der Ströme in den zugehörigen LED-Ketten gemäß einer vorgegebenen Stromverteilung. Damit wird vermieden, dass die Ströme in den einzelnen LED-Ketten aufgrund unterschiedlicher Durchlaßspannungen der einzelnen LEDs oder einem Kurzschluß einer LED von der vorgegebenen Soll-Stromstärke abweichen. Darüber hinaus ist es mittels der Regelanordnung möglich, in jeder LED-Kette den gleichen Strom einzuprägen, so dass sich insgesamt eine homogene Abstrahlcharakteristik über das LED-Array ergibt.

Vorzugsweise umfasst diese Regelungsanordnung jeweils eine Stromverstärkungsschaltung zur Einprägung eines vorgegebenen Betriebsstroms in die LED-Ketten. Die Stromverstärkungsschaltung können dabei Regelungseingänge zur Regelung des jeweiligen Stroms in der LED-Kette ausweisen, wobei die Regelungseingänge bevorzugt mit einander verbunden sind und auf dem selben Potential liegen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die Regelanordnung der Referenz-LED-Kette und jede Regelanordnung der weiteren LED-Ketten einen Stromspiegel. Dieser ermöglicht die Spiegelung des geregelten oder konstant gehaltenen Stromes durch die Referenz-LED-Kette auf jede andere LED-Kette des LED-Arrays. Somit entfällt der Einsatz von teuren Mikroprozessoren oder speziellen LED-Treiber-Chips für jede LED-Kette.

Es ist dabei auch unerheblich, ob die Anzahl der LEDs der LED-Ketten gleich oder unterschiedlich ist. Eine unterschiedliche Anzahl an LEDs in jeweiligen LED-Ketten wird durch die Stromspiegelschaltung derart ausgeglichen, dass durch jede LED-Kette der gleiche Strom fließt wie durch die Referenz-LED-Kette.

Durch einmalige Dimensionierung bzw. Einsatz eines Potentiometers im Stromregelteil der Schaltung kann eine bestimmte, gewünschte Ausgangshelligkeit, d.h. ein bestimmter LED-Vorwärtsstrom, eingestellt werden. Ändert sich aufgrund der Alterung der LEDs deren Helligkeit, so wird der Strom durch die Konverterschaltung und die Regelanordnungen nachgeregelt. Die Schaltung kann dabei so dimensioniert werden, dass ein bestimmter maximaler Strom nicht überschritten wird.

Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin ein LED-Modul vorgesehen, das ein erfindungsgemäßes LED-Array sowie eine Stromversorgungseinheit umfasst. Versorgungsanschlüsse des LED-Arrays sind dabei mit ausgangsseitigen Versorgungsanschlüssen der Stromversorgungseinheit verbunden.

Die Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in Signalanlagen wie Verkehrsampeln oder Bahnsignalanlagen geeignet. Hierbei ist von besonderem Vorteil, dass bei der Erfindung eine nahezu konstante Strahlungsleistung und damit die Einhaltung vorgeschriebener Untergrenzen für die Strahlungsleistung für die gesamte Lebensdauer gewährleistet ist, ohne dass eine Überdimensionierung oder eine überhöhte Strahlungserzeugung zu Beginn der Lebensdauer erforderlich ist.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 und 2. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LED-Moduls, und
2 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LED-Arrays.
Das in 1 gezeigte Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 1 umfaßt ein LED-Array 2 und eine Stromversorgungseinheit 3 (Power supply).
Die Stromversorgungseinheit 3 ist mit einer allgemein verfügbaren Stromquelle, beispielsweise einem öffentlichen Stromnetz verbunden (nicht dargestellt). Die Stromversorgungseinheit 3 wandelt die eingangsseitige Spannung so um, dass an den Versorgungsanschlüssen 4, 5 eine Spannung zur Verfügung steht, die zum Betrieb des LED-Arrays 2 geeignet ist. Dazu ist es in der Regel erforderlich, die eingangsseitig anliegende Spannung herunter zu transformieren und gleichzurichten bzw. den Betriebsstrom zu glätten.
Typischerweise liegt die Durchlaßspannung einer einzelnen LED im Bereich von 1 Volt bis 5 Volt, so dass je nach Anzahl der LEDs in den LED-Ketten eine Spannung zwischen 5 und 30 Volt, also im Niederspannungsbereich zum Betrieb des LED-Arrays geeignet ist. Je nach Art und Anzahl der LEDs können dabei Betriebsströme bis zu mehreren Ampere fließen. Dies trifft insbesondere auf LED-Module für Signalanlagen zu, die auch bei Tageslicht und ungünstigen Lichtverhältnissen weithin sichtbar sein müssen und eine entsprechende große Zahl von LEDs aufweisen.
Das LED-Array 2 weist eine Referenz-LED-Kette LKR mit LEDs 9 sowie LED-Ketten LK1...LKn mit LEDs 10 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die LED-Ketten LK1...LKn anodenseitig verbunden. Um eine optimale Stromverteilung auf die einzelnen LED-Ketten zu erzielen, ist eine Stromverteilungsschaltung 7 vorgesehen. Dabei ist zu jeder LED-Kette jeweils eine Regelungsanordnung RA1...RAn in Serie geschaltet. Der Referenz-LED-Kette LKR ist ebenfalls eine Regelanordnung LAR in Serie geschaltet. Die Regelanordnungen dienen dazu, die Ströme in den LED-Ketten gemäß einer vorgegebenen Stromverteilung aufzuteilen. Die Regelanordnungen sind im einzelnen im Zusammenhang mit der 2 näher erläutert.
Im Pfad der Referenz-LED-Kette LKR ist weiterhin eine Konverterschaltung 8 vorgesehen, die vorliegend zwischen dem Versorgungsanschluss 4 und dem Anodenanschluss einer ersten LED 9 der LED-Kette LKR verschalten ist. Die Konverterschaltung 8 weist darüber hinaus auch eine direkte Verbindung mit den anderen Versorgungsanschluss 5 auf.
Eine mögliche Realisierung der Konverterschaltung 8 geht aus 2 hervor. Die Konverterschaltung 8 weist einen Transistor T auf, der vorliegend als pnp-Transistor ausgeführt ist. Der Kollektor des Transistors T ist mit der Anode einer LED 9 der Referenz-LED-Kette LKR verbunden. Der Emitter ist über einen Widerstand R mit dem Versorgungsanschluss 4 verbunden. Zwischen den Versorgungsanschlüssen 4, 5 ist eine Serienschaltung aus einem Detektionselement DE, welches beispielhaft als Fotodiode ausgeführt ist, und einem dazu seriell verschalteten Widerstand RDE vorgesehen. Die Fotodiode DE ist kathodenseitig mit dem Versorgungsanschluss 4 und anodenseitig mit dem Widerstand RDE verbunden. Mit dem Knotenpunkt zwischen der Fotodiode DE und dem Serienwiderstand RDE ist die Basis des Transistors T verbunden.
Die Fotodiode DE und der Widerstand RDE bilden einen Spannungsteiler, wobei sich am Knotenpunkt eine Spannung abhängig von der von der Fotodiode DE detektierten Einstrahlung einstellt. An dem Widerstand RDE fällt eine Spannung ab, die zu dem von der Fotodiode DE erzeugten Fotostrom proportional ist und somit von der Helligkeit der Umgebung oder von der Strahlungsleistung der LEDs des LED-Arrays 2 abhängt. Dabei ist der durch die Referenz-LED-Kette LKR fließende Strom umgekehrt proportional zum erzeugten Fotostrom bzw. der detektierten Einstrahlung Statt des helligkeitsempfindlichen Detektionselements DE, das in der 2 als Fotodiode ausgeführt ist, kann ebenfalls ein temperaturabhängiges Element, z.B. ein NTC-Widerstand verwendet werden. Die Regelung erfolgt dann nicht in Abhängigkeit der Helligkeit, sondern statt dessen in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur des LED-Moduls.
Die Regelanordnungen RAR-RA1, RAR-RA2,... RAR-RAn bilden jeweils einen Stromspiegel. Die Regelanordnung RAR, die im Pfad der Referenz-LED-Kette LKR liegt, weist zu diesem Zweck einen als Diode verschalteten npn-Transistor TR und einen im Emitterzweig liegenden Widerstand RR auf, der mit dem Versorgungsanschluss 5 verbunden ist.
Die Regelanordnungen RA1...RAn sind jeweils identisch aufgebaut und weisen einen npn-Transistor T1...Tn sowie einen im Emitterzweig liegenden Widerstand R1...Rn auf. Die Kollektoren der Transistoren T1...Tn sind jeweils mit dem Kathodenanschluss einer jeweiligen LED 10 der LED-Ketten LK1...LKn verbunden. Die Basisanschlüsse der Transistoren T1...Tn sind jeweils mit dem Basisanschluss der Transistors TR der Regelanordnung RAR verbunden.
Mittels des Stromspiegels wird jeder der LED-Ketten LK1.. LKn der durch die Referenz-LED-Kette LKR fließende Strom eingeprägt. Dies geschieht unabhängig davon, wieviele LEDs 10 in einer jeweiligen LED-Kette vorhanden sind.
Der durch die Referenz-LED-Kette fließende Strom kann mit einem Potentiometer eingestellt werden, so dass sich die vorgegebene Ausgangshelligkeit der LEDs 9, 10 einstellt. Ändert sich aufgrund der Alterung der LEDs 9, 10 die Helligkeit, wird der Strom mittels der Konverterschaltung 8 und der Stromspiegel automatisch nachgeregelt. Im Pfad der Referenz-LED-Kette kann weiterhin ein Mittel vorgesehen werden, so dass ein gewisser maximaler Strom nicht überschritten wird.

Claims

LED-Kette (LKR) mit mindestens einer LED (9), wobei im Pfad der LED-Kette (LKR) eine Konverterschaltung (8) vorgesehen ist, die unabhängig von einer äußeren Einflußgröße einen vorgegebenen Strom durch die LED-Kette (LKR) einprägt.
LED-Kette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Konverterschaltung (8) einwirkende äußere Einflussgröße eine Temperatur, insbesondere die Umgebungstemperatur, die Temperatur der LED (9) oder die Temperatur einer die LED-Kette bzw. die Konverterschaltung tragenden Leiterplatte, oder eine Helligkeit ist.
LED-Kette nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeit durch die Umgebung oder die von der LED-Kette (LKR) emittierte Abstrahlung bedingt ist.
LED-Kette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konverterschaltung (8) ein Detektionselement (DE) mit einem in Serie verschalteten Widerstand (RDE) sowie einen Transistor (T) mit einem Widerstand (R) in einem ersten Hauptzweig und mit der LED-Kette (LKR) im zweiten Hauptzweig aufweist, wobei der Knotenpunkt zwischen Detektionselement (DE) und dem Widerstand (RDE) mit dem Basisanschluss des Transistors (T) verbunden ist.
LED-Kette nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionselement (DE) eine Photodiode, ein temperaturempfindliches Bauteil, insbesondere ein NTC-Widerstand, oder eine gesteuerte Stromquelle ist.
LED-Array mit einer Referenz-LED-Kette (LKR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Array (2) wenigstens eine weitere LED-Kette (LK1...LKn) mit mindestens einer LED (10) aufweist und der Serienanordnung aus der Konverterschaltung und der Referenz-LED-Kette (LKR) parallel geschaltet ist.
LED-Array nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Referenz-LED-Kette (LKR) und jeder weiteren LED-Kette (LK1...LKn) jeweils eine Regelanordnung (RAR, RA1...RAn) in Serie geschalten ist, wobei die Regelanordnungen (RAR, RA1...RAn) zur Einstellung der Ströme in den zugehörigen LED-Ketten (LK1...LKn) gemäß einer vorgegebenen Stromverteilung dienen.
LED-Array nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnungen (RA1...RAn) jeweils eine Stromverstärkungsschaltung zur Einprägung eines Stroms in die weiteren LED-Ketten (LK1...LKn) umfassen.
LED-Array nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnung (RAR) der Referenz-LED-Kette (LKR) und jede Regelanordnung (RA1...RAn) der weiteren LED-Ketten (LK1...LKn) einen Stromspiegel bilden.
LED-Array nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in einer LED-Kette (LKR, LK1...LKn) seriell verschalteten LEDs unterschiedlich ist.
LED-Modul, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Modul (1) ein LED-Array (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 enthält.
LED-Modul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Array (2) Versorgungsanschlüsse (5) aufweist, mit denen eine Stromversorgungseinheit (3) ausgangsseitig verbunden ist.