DE29900537U1

DE29900537U1 - Schaltungsanordnung zur Anzeigenbeleuchtung in Kraftfahrzeugen mittels Leuchtdioden

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Publication number: DE29900537U1
Application number: DE29900537U
Authority: DE
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1998-02-07
Filing date: 1999-01-15
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2009-01-16
Also published as: DE19804891A1

Description

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13.01.99 IC43LE/P - Je

AkteGbm52419

Schaltungsanordnung zur Anzeigenbeleuchtung in Kraftfahrzeugen mittels Leuchtdioden

Die Neuerung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Anzeigenbeleuchtung in Kraftfahrzeugen mittels Leuchtdioden gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

In Kraftfahrzeugen werden zur Beleuchtung von Displays, Einzelinstrumenten sowie auch von komplexen Kombiinstrumenten zunehmend Leuchtdioden verwendet. Für diesen Zweck setzte man bislang in ihrer Ansteuerung relativ anspruchslose Glühbirnen ein. Aus einem Halbleitermaterial bestehende optoelektronische Leuchtmittel wie Leuchtdioden erfordern jedoch im rauhen Milieu eines Kraftfahrzeuges geeignete Schutzvorkehrungen, um für eine angemessene Gebrauchsdauer eine zuverlässige Beleuchtung der Anzeigevorrichtung zu gewährleisten. Störspannungen, die im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs unvermeidbar auftreten und durchaus 100 V oder mehr betragen können, mögen zwar für Glühbirnen völlig unkritisch sein, sie können sich jedoch äußerst schädigend auf Leuchtdioden auswirken. Denn Störspannungen erzeugen in den Leuchtdioden Sperrschichterwärmungen, die die Leuchtdichte der Leuchtdiode kontinuierlich reduzieren, bis die Leuchtdiode schließlich unbrauchbar wird.

In von der Anmelderin produzierten Schaltungsanordnungen zur dimmbaren Beleuchtung einer Anzeigevorrichtung in einem Kraftfahrzeug mit Leuchtdioden wurden von einem Mikroprozessor steuerbare Schalt-IC's verwendet. Diese Schaltungsanordnungen erfassen zwar im allgemeinen über eine spezielle Überwachungseinrichtung im Bordnetz auftretende Störspannungen, jedoch bieten sie Leuchtdioden, die am Bordnetz eines Kraftfahrzeuges betrieben werden, keinen ausreichenden Schutz vor der schädigenden Einwirkung der genannten

Störspannungen. Denn derartige Schaltungsanordnungen überprüfen die Spannung des Bordnetzes nicht lückenlos, sondern aufgrund ihrer digitalen Arbeitsweise in einem festgelegten Takt, z.B. alle 20 ms. Störspannungen von kürzerer Dauer werden demnach nicht erfaßt. Darüber hinaus haben diese Schaltungsanordnungen den Nachteil, daß sie nach der Erfassung einer anhaltenden Störspannung die Leuchtdioden vom Bordnetz nur abzuschalten vermögen, was dann jedoch zwangsläufig zu einem ersichtlichen Beleuchtungsverlust führt. Diese Wirkung ist aber ein bedeutender qualitativer Mangel für eine gattungsgemäße Anzeigevorrichtung, weil der Kunde eine gleichbleibend gute Beleuchtung der Anzeigevorrichtung erwartet, und zwar unabhängig davon, welche für ihn üblicherweise sonst unmerklichen Vorgänge sich im Bordnetz abspielen.

Neben den zuvor erwähnten Schaltungsanordnungen zur dimmbaren Beleuchtung einer Anzeigevorrichtung werden zum Teil noch nicht dimmbare Anzeigevorrichtungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die Marktbedeutung nicht dimmbarer Anzeigevorrichtungen nimmt jedoch ab. Bei diesen Schaltungsanordnungen wird im Strompfad der Leuchtdioden ein ohmscher Widerstand mit einem festen Wert verwendet, so daß die Leuchtdioden und der Widerstand eine Reihenschaltung bilden, an der die Bordspannung des Kraftfahrzeugs anliegt. Unter Berücksichtigung der Durchlaßspannung der Leuchtdioden, die typischerweise im Bereich von 2 V liegt, wird der Widerstand so dimensioniert, daß die Leuchtdioden beim Anliegen der nominalen Bordspannung ihre volle Lichtstärke entfalten. Bei dieser Vorgehensweise ist jedoch offensichtlich, daß die Leuchtdioden schon bei relativ kleinen Überschreitungen des Nominalwertes der Bordspannung, welche sogar noch in der normalen Schwankungsbreite der Bordspannung liegen mögen, im Grenzbereich ihrer Spezifikation betrieben werden. Dieses trifft erst recht beim Auftreten von Störspannungen zu, was aber sehr zu Lasten der Lebensdauer der Leuchtdioden geht. Eine andere Dimensionierung des Widerstandes wird deshalb nicht gewählt, um nicht Gefahr zu laufen, daß die Leuchtdioden bei einem Einbruch der Bordspannung, der beispielsweise durch das Einschalten starker elektrischer Verbraucher auftreten kann, zu dunkel werden.

Den genannten Schaltungsanordnungen ist gemeinsam, daß sie nur die an den Leuchtdioden anliegende Spannung beeinflussen. Eine auf dem Prinzip der

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Spannungsregelung beruhende Lösung ist neben den zuvor erwähnten Unzulänglichkeiten aber auch deshalb nachteilig, weil sich Temperaturschwankungen und Bauteiletoleranzen an den Leuchtdioden ebenfalls ungehindert ungünstig auf ihr Betriebsverhalten auswirken.

Gattungsgemäße Schaltungsanordnungen sind überdies auch aus dem Schrifttum bekannt. So beschreibt das Dokument DE 42 16 529 A1 eine Anzeigevorrichtung für Kraftfahrzeuge, bei der aber zum Betrieb der Leuchtdioden explizit eine stabilisierte Spannung verlangt wird. Die dort beschriebene Lösung empfiehlt für die Bereitstellung einer stabilisierten Versorgungsspannung für die Leuchtdioden sogar den Einsatz eines Schaltnetzteils, wodurch diese Anzeigevorrichtung recht teuer wird. Die Schrift DE 32 08 128 A1 zeigt zwar eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von LED-Anzeigen, deren Anzeigeelemente von Transistoren angesteuert werden, jedoch hat diese Schrift keinen Bezug zu den spezifischen Problemen, die sich beim Betrieb von Leuchtdioden in einem Kraftfahrzeug ergeben. Dasselbe trifft auf das Dokument DE 39 11 293 A1 zu, das eine Anzeigevorrichtung mit Leuchtdioden beschreibt, die von einem Transistor angesteuert werden.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Neuerung, eine Schaltungsanordnung zur Anzeigenbeleuchtung in Kraftfahrzeugen mittels Leuchtdioden aufzuzeigen, die eine weitgehend gleichbleibende Beleuchtung der Anzeigevorrichtung sicherstellt, auch wenn in dem Bordnetz, an dem die Leuchtdioden betrieben werden, Störspannungen auftreten. Ferner soll die gesuchte Schaltungsanordnung der Forderung gerecht werden, sich für eine in ihrer Lichtstärke regelbare und dauerbetriebsfähige Beleuchtung der Anzeigevorrichtung zu eignen. Insbesondere soll aus Kostengründen auch der bisher nötige Aufwand zum Schutz der Leuchtdioden verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf Weiterbildungen der gefundenen Lösung gerichtet. Anhand von drei Figuren wird die Lösung nachstehend erläutert.

Die Lösung sieht einen den Stromfluß durch die Leuchtdioden regelnden bipolaren Transistor vor, der aufgrund seiner Dimensionierung und Kühlung auf die

Leuchtdioden einwirkende Leistungsspitzen des Bordnetzes verzögerungsfrei und kontinuierlich kompensiert, weshalb die Leuchtdioden unmittelbar am Bordnetz des Kraftfahrzeuges angeschlossen werden können.

Der Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Lichtstärke einer Leuchtdiode praktisch nur von ihrem Durchlaßstrom abhängt und selbst geringe Schwankungen von der über der Leuchtdiode anliegenden Spannung zu einer verhältnismäßig großen Leistungsänderung an der Leuchtdiode führt, wie es in der Figur 1 verdeutlicht wird. Dort ist in einem vereinfachten Diagramm der qualitative Verlauf des Durchlaßstromes I_F einer Leuchtdiode über der Durchlaßspannung U_F aufgetragen. Beispielhaft wurde hier, wie es die gestrichelte Linie zeigt, von einem Nominalwert des Durchlaßstromes If von 20 mA und von einer Durchlaßspannung U_F von 2,0 V ausgegangen. Deutlich erkennt man, daß selbst geringfügige Spannungsschwankungen bereits große Änderungen beim Durchlaßstrom I_F hervorrufen. Aufgrund der Steilheit der Kennlinie des Durchlaßstromes If = f(U_F) führen Schwankungen der Durchlaßspannung U_F zu erheblichen Leistungsänderungen an der Leuchtdiode, denn die Leistungsänderung ergibt sich aus dem Produkt der Durchlaßspannung Uf und dem daraus resultierenden Durchlaßstrom If. Diese Wirkung wird durch das von den gepunkteten Linien eingefaßte Schwankungsband angezeigt. Diese Leistung muß von der Leuchtdiode kompensiert werden. Zur Lichterzeugung ist jedoch eine bestimmte Mindestleistung erforderlich.

Eine durch eine Spannungsüberhöhung hervorgerufene Leistungsänderung bewirkt in der Leuchtdiode eine unerwünschte Sperrschichterwärmung, die sich schädlich auf die Lebensdauer der Leuchtdiode auswirkt. Zur Abhilfe dieser nachteiligen Wirkung wird deshalb vorgeschlagen, den Stromfluß durch die Leuchtdiode so zu regeln, daß der Durchlaßstrom I_F möglichst konstant bleibt. Denn aufgrund des Verlaufes der Kennlinie des Durchlaßstromes I_F sind kleine Schwankungen des Durchlaßstromes I_F erheblich unkritischer, so daß sich selbst eine verhältnismäßig einfache Regelung des Durchlaßstromes If schon sehr vorteilhaft auf das Betriebsverhalten der Leuchtdioden auswirkt. Eine Stromregelung, die überdies den Durchlaßstrom I_F durch die Leuchtdiode gegenläufig zum Verhalten der Betriebstemperatur regelt,

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trägt dazu bei, daß der maximal zulässige Durchlaßstrom I_F durch die Leuchtdiode auch nicht aufgrund von thermischen Einflüssen überschritten wird.

Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die gefundene Lösung. Die Anodenseite einer Anordnung aus in Reihe und/oder parallel geschalteten Leuchtdioden 1,2,3 und 4 wird unmittelbar mit dem positiven Potential der Bordspannung U₈ verbunden, wohingegen die Kathodenseite der Leuchtdiodenanordnung an den Kollektor eines bipolaren npn-Transistors 5 angeschlossen wird. Der Emitter des Transistors 5 führt den Kollektor-Emitter-Strom über einen Widerstand 6 gegen Masse bzw. zum negativen Potential der Bordspannung Ub. Über die Basis des Transistors 5 kann die Beleuchtung in ihrer Lichtstärke auf einfache Weise geregelt werden, indem entweder, wie dargestellt, der Basisstrom des Transistors 5 mittels eines Potentiometers 7 eingestellt wird oder aber ein von einer digitalen Steuerschaltung generiertes, Pulsweiten moduliertes Signal auf die Basis des Transistors 5 gegeben wird. In der Praxis kann das Potentiometer 7 durch einen vom Fahrer betätigbaren Drehsteller am Armaturenbrett realisiert sein. Das Potentiometer 7 ist für den Zweck der Beleuchtungseinstellung einerseits mit der Basis des Transistors 5 und andererseits mit einer stabilen Gleichspannungsquelle U_COnst verbunden.

Die vorteilhafte Wirkung der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung beruht darauf, daß Änderungen der Bordspannung U_B kaum Änderungen des Kollektorstromes hervorrufen, weil die Spannungsschwankungen über der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 5 anstehen und der Transistor 5 bei geeigneter Dimensionierung und Kühlung Leistungsspitzen des Bordnetzes schnell kompensieren kann. Aufgrund der Robustheit geeigneter Transistoren können so Störspannungen bis 150 V problemlos abgefangen werden, ohne daß eine Helligkeitsänderung der Leuchtdioden 1, 2, 3, eintritt, sie durch eine Sperrschichterwärmung gefährdet würden oder zum Schutz vor Zerstörung ihre Abschaltung gar nötig wäre. Eine mit einem Transistor realisierte Stromregelung gewährleistet deshalb eine hohe Helligkeitskonstanz der so betriebenen Leuchtdioden 1,2,3, 4, weil ihr Durchlaßstrom I_F ungeachtet des Verhaltens der Bordspannung Ub weitgehend konstant gehalten wird. Im übrigen sind geeignete Transistoren wesentlich preiswerter als die üblicherweise heute bei gattungsgemäßen Anzeigeanordnungen verwendeten Schalt-IC's, weshalb sich

durch die vorgeschlagene Lösung neben dem qualitativen Vorteil auch ein wirtschaftlicher ergibt.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung hat auch den Vorteil, daß sie auf einfache Weise kaskadierbar ist, also zur Ansteuerung von nahezu beliebig vielen Leuchtdioden geeignet ist, wodurch durch die Verwendung einer ausreichenden Anzahl von Leuchtdioden eine leichte Anpassung dieser Schaltungsanordnung an die Größe der zu beleuchtenden Fläche der Anzeigevorrichtung möglich ist. Ein Schaltungsbeispiel ist in der Figur 3 dargestellt. Hier sind zwei Anordnungen der in Figur 2 dargestellten Schaltungsanordnung parallel geschaltet und an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen. Auf diese Weise können bei Bedarf nahezu beliebig viele neuerungsgemäße Schaltungsanordnungen kaskadiert werden. Der Basisanschluß aller für die Regelung des Durchlaßstromes der Leuchtdioden benötigten Transistoren ist mit einer einzigen gemeinsamen Steuerleitung 8 verbunden, über die die Helligkeit aller Leuchtdioden eingestellt wird. Diese Steuerleitung 8 kann entweder für eine Gleichstromregelung der Transistoren ein Potentiometer enthalten oder es wird über die Steuerleitung 8 ein digital erzeugtes Pulsweiten moduliertes Signal auf die jeweiligen Basisanschlüsse der Transistoren gegeben.

Claims

J J ...» J J "T: 13.01.1999 IC43LE/P - Je AkteGbm52419 Schutzansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Anzeigenbeleuchtung in Kraftfahrzeugen mittels Leuchtdioden, wobei ein bipolarer Transistor (5) den Stromfluß durch die Leuchtdioden (1,2, 3, 4) steuert,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Leuchtdioden (1, 2, 3, 4) unmittelbar am Bordnetz des Kraftfahrzeuges angeschlossen sind und der Transistor (5) aufgrund seiner Dimensionierung und Kühlung auf die Leuchtdioden (1, 2, 3, 4) einwirkende Leistungsspitzen des Bordnetzes verzögerungsfrei und kontinuierlich kompensiert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß zur Helligkeitseinstellung der Leuchtdioden (1, 2, 3, 4) ein einstellbares Gleichstromsignal oder ein Pulsweiten moduliertes Signal auf den Basisanschluß des Transistors (5) gegeben wird.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß diese Schaltungsanordnung mehrfach in zueinander parallelen Zweigen angeordnet ist, wobei jeder Zweig vom Bordnetz des Fahrzeuges spannungsversorgt wird und jeweils der Basisanschluß aller für die Stromregelung der Leuchtdioden benötigten Transistoren mit einer gemeinsamen Steuerleitung (8) verbunden sind, über die die Helligkeit der Leuchtdioden eingestellt wird.