DE19732828A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leuchtdioden-Arrays - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leuchtdioden-ArraysInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur
Ansteuerung von mindestens einem Leuchtdioden(LED)-Array mit
einer Mehrzahl von parallel zueinander verschalteten Leucht
dioden (LEDs).
Gewöhnlich werden, wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt, Ar
rays LA1, . . ., LAn von parallel oder seriell zueinander ver
schalteten Leuchtdioden LD über elektrische Widerstände R
bzw. R1, . . ., Rn oder Stromquellen angesteuert, die seriell zu
einem oder mehreren LED-Arrays LA1, . . ., LAn geschaltet sind.
Die Helligkeit der LEDs LD wird hierbei im Wesentlichen durch
den jeweiligen Betriebsstrom durch die LED-Arrays LA1, . . ., LAn
bestimmt. Ist die Betriebsspannung VB, mit der die LED-Arrays
LA1, . . ., LAn versorgt werden, aber nicht stabil, so ergeben
sich bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen wesentliche
Nachteile. So kann es beispielsweise zu Helligkeitsschwankun
gen der Leuchtdioden LD, zu stark abnehmender Helligkeit der
Leuchtdioden LD bei Unterschreiten der Summe der Schwellspan
nungen der seriell verschalteten Leuchtdioden LD, zu hoher
Verlustleistung oder Schädigung der Leuchtdioden LD durch er
höhten Betriebsstrom bei Überspannung, zu einem Ausfall meh
rerer Leuchtdioden LD durch erhöhten Strom bei Überspannung,
zu einem Ausfall mehrerer Leuchtdioden LD bei Unterbrechung
einer Leuchtdiode LD oder zu einer Schädigung der Leuchtdi
oden LD bei Verpolung kommen. Instabile Betriebsspannungen VB
treten unvermeidbar beispielsweise bei Kraftfahrzeugen auf.
Hier hängt die Betriebsspannung VB z. B. vom Ladezustand der
Batterie ab.
Darüberhinaus haben die bekannten Schaltungsanordnungen den
Nachteil, daß wegen des hohen Verdrahtungsaufwandes eine
Montage der elektrischen Widerstände R bzw. R1, . . ., Rn oder
Stromquellen nahe bei den Leuchtdioden LD erforderlich ist,
wodurch eine reduzierte Helligkeit wegen Aufheizung der
Leuchtdioden LD durch die Verlustwärme der Widerstände
R1, . . ., Rn bzw. R oder Stromquellen hervorgerufen wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
verbesserte Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines oder
mehrerer Leuchtdioden-Arrays zur Verfügung zu stellen, die
insbesondere verlustarm arbeitet und einen weitestgehend kon
stanten Strom durch die Leuchtdioden gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Schaltungsanordnung sind Ge
genstand der Unteransprüche 2 bis 6.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß zur Ansteuerung des
LED-Arrays ein Pulsbreitenmodulations(PWM)-Schalter verwendet
ist, der in Reihe zum Leuchtdioden-Array geschaltet ist.
Vorzugsweise ist seriell zwischen den Pulsbreitenmodulati
ons(PWM)-Schalter und dem Leuchtdioden-Array eine Induktivi
tät angeschlossen.
Elektrische Verluste treten in dieser Schaltungsanordnung
vorteilhafterweise im wesentlichen nur in Form von Schalt
verlusten und Spulenverlusten auf. Sie ist daher sehr ver
lustarm. Weiterhin läßt sich mit dieser Schaltungsanordnung
eine konstante Helligkeit zu sehr geringen Betriebsspannungen
erreichen. Überspannungen werden ebenfalls ausgeregelt, dyna
mische Spannungsspitzen verursachen aufgrund der Induktivität
keine Stromspitzen. Ein Ausfall einer Leuchtdiode beeinflußt
die anderen Leuchtdioden nicht und führt nur zu einer gering
fügigen Anhebung der Einzelströme der Leuchtdioden.
Die an den Leuchtdioden anliegende Spannung kann vorteilhaf
terweise zusätzlich als Temperatursignal der Leuchtdioden
verwendet werden, um den Strom durch die Leuchtdioden tempe
raturabhängig abzuregeln. Der PWM-Schalter ist außerdem an
beliebigen Orten einsetzbar, die Leitungen der Spule L sind
ohne EMV-Probleme beliebig verlängerbar.
Im Gegensatz zum oben beschriebenen bislang bekannten soge
nannten Stromquellenkonzept erlaubt die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung wegen der geringen Verlustleistung auch
die Realisierung von Mehrfachschaltern, z. B. für die Rück
leuchten eines Kraftfahrzeuges.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird im folgenden
anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den
Fig. 1, 3 und 4 näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen prinzipiellen Schaltplan eines Ausführungsbei
spieles,
Fig. 2a und 2b Schaltpläne von Schaltungsanordnungen der
eingangs genannten Art gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3a bis 3d schematische Darstellungen von Spannungs-
und Strom-Zeit-Abhängigkeiten im Betrieb des des Ausführungs
beispieles von Fig. 1 und
Fig. 4 einen prinzipiellen Schaltplan eines weiteren Ausfüh
rungsbeispieles.
Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbei
spiele sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszei
chen versehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist ein Leuchtdioden-
Array LA, bestehend aus einer Mehrzahl von parallel zueinan
der geschalteten Leuchtdioden LD1, . . ., LDn, einerseits (hier
Kathodenseite) mit einem Bezugspotential-Anschluß P für ein
festes Potential, bevorzugt Masse, und andererseits (hier die
Anodenseite) mit einem ersten Anschluß 1 einer Induktivität
L verbunden. Ein zweiter Anschluß 2 der Induktivität L ist
mit einem Source-Anschluß S1 eines ersten Transistors T1
verbunden, von dem ein Drain-Anschluß D1 mit einem Drain-
Anschluß D2 eines zweiten Transistors T2 verbunden ist. Ein
Source-Anschluß S2 des zweiten Transistors T2 ist an einen
Betriebsspannungsanschluß VB angeschlossen.
Gate-Anschlüsse G1, G2 der beiden Transistoren T1, T2 sind mit
einem Logik-Schaltkreis LC verbunden, der einen Ausgang ST
und einen Spannungseingang VIN aufweist. Zwischen dem Logik-
Schaltkreis LC und dem zweiten Anschluß 2 der Induktivität L
ist eine erste Kapazität C1 angeschlossen. Weiterhin ist zwi
schen dem Bezugspotential-Anschluß P und dem zweiten An
schluß 2 der Induktivität L eine Diode D angeordnet, derart,
daß deren Anode mit dem Bezugspotential-Anschluß P verbun
den ist. Der Logik-Schaltkreis LC ist ebenfalls mit dem Be
zugspotential-Anschluß P verbunden.
Zwischen dem PWM-Schalter PWM und dem Bezugspotential-
Anschluß P ist eine zweite Kapazität C2 angeschlossen, mit
tels der die Frequenz des PWM-Schalters PWM einstellbar ist.
Um eine EMV-Abstrahlung zu verhindern, ist der Betriebsspan
nungsanschluß VB mit einem dritten Kondensator C3 abge
blockt.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß dem oben be
schriebenen Ausführungsbeispiel ist folgende: Nach dem Ein
schalten des PWM-Schalters PWM am Zeitpunkt t0 steigt der
Strom I, der durch das Leuchtioden-Array LA fließt, an, be
grenzt durch die Induktivität L. Dies ist im Diagramm der Fig.
3c gezeigt, bei dem der Strom I in Abhängigkeit von der
Zeit t aufgetragen ist.
Bei einem bestimmten Stromwert des Stromes I schaltet der Lo
gik-Schaltkreis LC den ersten Transistor T1 ab, der Strom I
fließt aber über den von der Induktivität L, der Diode D und
dem Leuchtdioden-Array LA gebildeten Stromkreis weiter und
nimmt ab. Nach Abnahme des Stromes I auf einem bestimmten
Wert oder nach definierter Zeitdauer schaltet der Logik
schaltkreis LC den ersten Transistor T1 wieder ein, so daß
der Strom I wieder ansteigt. Dieser Prozeß wiederholt sich
permanent, wodurch eine konstante Stromregelung realisiert
ist (man vergleiche Fig. 3).
Eine Sollgröße des Stromes I wird mittels einer definierten
Spannung am Spannungseingang VIN des Logik-Schaltkreises LC
eingestellt (man vergleiche die Fig. 3a). Damit läßt sich
der Strom I für eine beliebige Anzahl von Leuchtdioden
LD1, . . ., LDn oder für unterschiedliche Grundhelligkeiten ein
stellen (man vergleiche die Fig. 3d). Eine Strommessung für
die Regelung findet beispielsweise als Sense-Prinzip im er
sten Transistor T1 statt und wird durch den Logik-Schaltkreis
LC verarbeitet. Um die Induktivität L klein zu halten wird
vorzugsweise eine PWM-Schalter-Frequenz von < 20 kHz verwen
det.
Ist die Spannung am Betriebsspannungseingang VB größer als 0,
so ist der zweite Transistor T2 durch den Logik-Schaltkreis
LC eingeschaltet, ansonsten ist er ausgeschaltet. Durch die
parasitäre Inversdiode ID2 des zweiten Transistors T2 wird
ein Stromfluß durch das Leuchtdioden-Array LA bei Verpolung
der Schaltungsanordnung verhindert. Der erste Kondensator C1
dient als Bootstrap-Kondensator für die Gate-Spannungen der
beiden Transistoren T1, T2. Am Ausgang ST des Logik-
Schaltkreises LC ist eine Diagnose bezüglich Lastunterbre
chung, Übertemperatur oder ähnliches möglich.
Mit dieser Schaltungsanordnung läßt sich eine konstante Hel
ligkeit der Leuchtdioden bis herab zu einer Betriebsspannung
am Betriebsspannungseingang VB von ca. 2 bis 3V erreichen.
Überspannungen werden ausgeregelt, dynamische Spannungsspit
zen verursachen aufgrund der vorhandenen Induktivität keine
Stromspitzen. Ein Ausfall einer oder mehrerer Leuchtdioden
LD1, . . ., LDn beeinflußt die restlichen Leuchtdioden nicht und
führt nur zu einer geringfügigen Erhöhung von deren Einzel
strömen.
Im Gegensatz zum bislang bekannten Konzept (man vergleiche
die Fig. 2A und 2B) erlaubt die erfindungsgemäße Schal
tungsanordnung wegen ihrer geringen Verlustleistung die Rea
lisierung von Mehrfachschaltern, z. B. für Kfz-Rückleuchten
beidseitig.
Zur Reduzierung des Schalter- und Spulenstromes können auch
zwei oder mehrere Leuchtdioden-Arrays LA in Serie geschaltet
werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist der erste Transi
stor T1 als PWM-modulierbarer Highside-Schalter ausgelegt.
Unter Highside-Schalter ist hierbei zu verstehen, daß der
Schalter an der Betriebsspannung, beim Kraftfahrzeug am
12V-Ausgang der Batterie angeschlossen ist und die Last auf Masse
liegt.
Anstelle des in Fig. 1 gezeigten sogenannten Drosselwandlers
sind auch andere Wandlerarten, wie z. B. Eintakt-Sperrwandler
ES (man vergleiche Fig. 4) einsetzbar. Das oben beschriebene
Prinzip ermöglicht jedoch den Einsatz kostengünstiger Spulen
und verursacht relativ geringe EMV-Abstrahlung.
Alternativ zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
kann der PWM-modulierbare Schalter auch als Lowside-Schalter
ausgeführt sein. Hierbei ist die Last auf dem Betriebsspan
nungseingang und der Schalter auf Masse gelegt.
In der Fig. 3a ist, bezogen auf das Ausführungsbeispiel von
Fig. 1, beispielhaft ein Spannungsverlauf am Spannungsein
gang VIN des Logikschaltkreises LC in Abhängigkeit von der
Zeit t dargestellt. Ab dem Einschaltzeitpunkt t0 liegt über
eine erste Zeitspanne bis zum Zeitpunkt t1 eine erste Span
nung V1 an. Ab dem ersten Zeitpunkt t1 liegt über eine zweite
Zeitspanne bis zu einem zweiten Zeitpunkt t2 eine zweite
Spannung V2 an, die geringer ist als die erste Spannung V1.
Im Diagramm der Fig. 3b ist die Ausgangsspannung VOUT am Aus
gang des PWM-Schalters PWM gegen die Zeit t aufgetragen. Hier
handelt es sich im Wesentlichen um eine Rechteckspannung mit
der vorgegebenen PWM-Schalter-Frequenz, deren beiden Span
nungswerte beispielsweise -0,7V und Betriebsspannung VB sind.
Das Diagramm von Fig. 3C wurde bereits weiter oben erläu
tert.
Im Diagramm von Fig. 3d ist die Spannung VLD am Leuchtdi
oden-Array in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Ab dem
Einschaltzeitpunkt t0 steigt die Spannung an den Leuchtdioden
LD an und bleibt bis zum ersten Zeitpunkt t1 im Wesentlichen
auf einem konstanten Wert. Am ersten Zeitpunkt t1, in dem die
Spannung am Spannungseingang VIN des Logikschaltkreises LC
auf einen niedrigeren Wert geschaltet wird, sinkt der Strom I
(man vergleiche Fig. 3c) und damit auch die Leuchtdioden
spannung VLD auf einen kleineren Wert ab. Die Helligkeit der
Leuchtdioden wird folglich geringer.
Am zweiten Zeitpunkt t2 trennt der PWM-Schalter PWM die Be
triebsspannung VB ab und die Leuchtdiodenspannung VLD sinkt
nachfolgend auf 0 V ab. Über die erste Zeitspanne zwischen
dem Einschaltzeitpunkt t0 und dem ersten Zeitpunkt t1 leuch
ten die Leuchtdioden LD1, . . ., LDn beispielsweise mit maximaler
Helligkeit und über die zweite Zeitspanne zwischen dem ersten
Zeitpunkt t1 und dem zweiten Zeitpunkt t2 leuchten die
Leuchtdioden LD1, . . ., LDn mit gedimmter Helligkeit.
Bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1
bleibt ein Kurzschluß der Induktivität L zum Bezugspotential-
Anschluß P vorteilhafterweise ohne Folgen für die Anteuerung.
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von mindestens einem
Leuchtdioden(LED)-Array (LA) mit einer Mehrzahl von parallel
zueinander verschalteten LEDs (1),
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Pulsbreitenmodulations-Schalter (PWM) in Reihe zum
LED-Array (LA) geschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Pulsbreitenmodulations-Schalter (PWM) mindestens einen
Transistor (T1), insbesondere einen Feldeffekttransistor, und
einen Logik-Schaltkreis (LC) aufweist, der im Betrieb der
Schaltungsanordnung den Transitor (T1), steuert.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Pulsbreitenmodulations-Schalter (PWM) über eine Indukti
vität (L) an das LED-Array (LA) gekoppelt ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Induktivität (L) zwischen dem Pulsbreitenmodulations-
Schalter (PWM) und dem LED-Array (LA) seriell zu diesen ange
schlossen ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Logik-Schaltkreis (LC) über eine Kapazität (C1) an einen
Source-Anschluß (S1) des Transistors (T1) gekoppelt ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Source-Anschluß (S1) des Transistors (T1) über eine Diode
(D) mit einem Bezugspotential-Anschluß (P) oder mit einem Be
triebsspannungsanschluß (VB) und das Laserdioden-Array (LA)
ebenfalls mit dem Bezugspotential-Anschluß (P) bzw. mit dem
Betriebsspannungsanschluß (VB) verbunden ist, wobei die Diode
(D) und die Leuchtdioden (LD) des Leuchtdioden-Arrays (LA)
gleiche Flußrichtung aufweisen.
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