DE602004010477T2

DE602004010477T2 - Verfahren und Treiberschaltung zur Steuerung von LEDs

Info

Publication number: DE602004010477T2
Application number: DE602004010477T
Authority: DE
Inventors: Timothy George Kirkby-in-Furness Bushell; C.B.T. Latham
Original assignee: Oxley Developments Co Ltd
Current assignee: Oxley Developments Co Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: EP1521503B1; ATE380451T1; US20050104541A1; EP1521503A1; US7196481B2; GB0322823D0; DE602004010477D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Regelung von Licht emittierenden Dioden ("LEDs"). Die vorliegende Erfindung wurde als Reaktion auf Anforderungen für lichtemittierende Dioden (LEDs) nutzende Flugzeugbeleuchtung entwickelt, sie hat jedoch zahlreiche potenzielle Anwendungen im Zusammenhang mit Beleuchtung für andere Zwecke. LEDs bieten erhebliche Vorteile gegenüber traditionelleren Lichtquellen, wie beispielsweise Glühlampen. LEDs haben eine viel längere Betriebslebensdauer als solche traditionellen Quellen, sind energiesparender und können so gewählt werden, dass sie nur, bzw. vorwiegend in ausgewählten Frequenzbereichen emittieren. Es ist bekannt, ein Feld von LEDs zu verwenden, um eine Glühlampe zu ersetzen, beispielsweise in Verkehrsampeln oder externer Flugzeugbeleuchtung. Für solche Zwecke geeignete Lampen sind beispielsweise in der veröffentlichten französischen Patentanmeldung FR2586844 (Sofrela S. A.) offenbart, die eine Leiterplatte nutzt, die ein Feld von LEDs trägt, die zusammen die zum Ersetzen des Glühdrahts einer traditionellen Glühlampe erforderliche Lichtstärke bereitstellen.
Es ist sehr wohl bekannt, dass eine Schaltung zum Treiben von LEDs ein Mittel zum Begrenzen des durch sie fließenden Stroms enthalten sollte. Der Widerstand einer LED verändert sich mit der Temperatur und wenn dem durch sie strömenden Strom keine Grenze auferlegt wird, kann es sein, dass als Folge übermäßiger Strom in der LED abgegeben wird, was dazu. führt, dass sie beschädigt wird. Der einfachste Strombegrenzer ist ein mit der LED in Reihe geschalteter Widerstand. Eine Alternative besteht darin, die LED (bzw. die LEDs) mit einer Konstantstromquelle zu treiben.
In manchen Zusammenhängen ist ein anspruchsvollerer Modus zum Regeln von LEDs erwünscht, wofür Flugzeugbeleuchtung ein Beispiel ist. Die am Äußeren eines Flugzeugs verwendeten Leuchten – Navigationsleuchten, Landeleuchten usw. – müssen ein hohes Maß an optischer Ausgangsleistung liefern und dies trotz großer Schwankungen der Umgebungstemperatur. Eine einfache Stromregelungsvorrichtung kann in dieser anspruchsvollen Umgebung nicht für optimales LED-Verhalten sorgen.
Die Verwendung eines Mikroprozessors zur Regelung einer LED wurde in der europäischen Patentanmeldung EP0516398 (Mitsubishi Kasein Corporation) vorgeschlagen. Die Absicht war jedoch, ein äußerst stabiles Strahlungsspektrum bereitzustellen, das als "Standardlichtquelle" dient, wobei die Mikroprozessorregelung verwendet wird, um die Stabilisierung der Ausgangswellenlänge durch einen geschlossenen Regelkreis zu bewirken.
Mit abnehmender Temperatur der LEDs nimmt ihre Vorwärtsspannung zu. Wenn die LEDs über einen großen Temperaturbereich arbeiten müssen, muss eine ausreichend hohe Spannung vorgesehen werden, um sie selbst bei der kältesten Temperatur zu treiben. Bei der höchsten Temperatur ist die LED-Vorwärtsspannung sehr niedrig und bis zu ein Drittel der erzeugen Wärme kann von den Treiberschaltungen herrühren statt von den LEDs. Dadurch wird die LED sehr ineffizient, da der Lichtausgang mit zunehmender Temperatur abnimmt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt es ein Verfahren zum Regeln von Strom durch mindestens eine Licht emittierende Diode ("LED") nach Anspruch 1.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt es eine LED-Treiberschaltung zum Regeln von Strom durch mindestens eine LED nach Anspruch 5.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter das Berechnen der Änderungsrate der LED-Temperatur in Bezug auf den LED-Strom basierend auf:

(a) der Änderungsrate der LED-Eingangsleistung in Bezug auf den Strom, berechnet aus der LED-Vorwärtsspannung, und
(b) der Änderungsrate der von der LED abgegebenen Wärme in Bezug auf die Temperatur, berechnet aus dem Wärmewiderstand zwischen der LED und ihrer Umgebung.

Die Treiberschaltung umfasst vorzugsweise weiter einen Umgebungstemperatursensor, dessen Ausgang an den elektronischen Regler geleitet wird.
Der Regler kann dazu angepasst sein, einen Wärmewiderstand zwischen der LED und ihrer Umgebung basierend auf dem Umgebungstemperaturausgang von dem Sensor zu ermitteln.
Der elektronische Regler ist vorzugsweise dazu angepasst, eine Änderungsrate der LED-Temperatur mit dem LED-Strom unter Berücksichtigung des Wärmewiderstands zwischen der LED und ihrer Umgebung zu ermitteln.
Vorzugsweise ist der elektronische Regler dazu angeordnet, die LED-Spannung zu überwachen und eine Änderungsrate der LED-Temperatur basierend auf der Annahme zu ermitteln, dass eine Änderung der LED-Eingangsleistung von einer gleichen Änderung der von der LED abgegebenen Wärme begleitet wird.
Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun, lediglich als Beispiel, unter Verweis auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, bei der es sich um ein Schaltschema einer LED-Treiberschaltung handelt, die zum Implementieren der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Die abgebildete Schaltung verwendet ein vorprogrammiertes elektronisches Regelgerät (Electronic Control Unit, ECU) 2, das Eingänge empfängt, die mit Aspekten der LED-Funktion zusammenhängen und als Reaktion den LED-Strom regelt.
In der dargestellten Schaltung wird die Speisung einer Reihen-/Parallelanordnung 4 von LEDs vom Drain-Pol eines MOSFET 8 abgegriffen, dessen Source-Pol über einen Widerstand R1 geerdet ist. Daher sind die LEDs 4 mit dem MOSFET in Reihe geschaltet. Die Steuerelektrode des MOSFET ist über einen Widerstand R2 mit einem Ausgang des ECU 2 verbunden. Außerdem ist ein Glättungskondensator C1 zwischen der Steuerelektrode und dem ECU-Ausgang angeschlossen. Im Betrieb nimmt der Ausgang des ECU die Form eines pulsweitenmodulierten (PWM) Rechteckwellensignals an. Der Glättungskondensator C1 und der zugehörige Widerstand R2 glätten das Signal und liefern dadurch eine Gleichspannung an die Steuerelektrode des MOSFET. Durch Einstellen des PWM-Signals kann das ECU 2 diese Spannung verändern und der MOSFET regelt seinerseits, als Reaktion auf die Gate-Spannung, den Strom durch die LEDs. Das ECU kann so den LED-Strom regeln und tut dies als Reaktion auf Eingänge von zwei Quellen.
Der Widerstand R1, der mit dem MOSFET in Reihe, oder genauer, zwischen dem MOSFET und Masse, geschaltet ist, dient als Strommesswiderstand. Das Potential an der von Masse entfernten Seite des Widerstands ist proportional zum Strom durch die LEDs und eine Leitung 10 verbindet diesen Punkt mit einem Eingang des ECU 2.
Der zweite Eingang in diese beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird von einem Temperatursensor NTC abgeleitet, der in einer Spannungsteilerkonfiguration angeschlossen ist: Eine Seite des Sensors NTC wird an die hohe Schiene 12 gelegt, während die andere über einen Widerstand R3 geerdet wird. Daher wird ein für die gemessene Temperatur repräsentatives Spannungssignal durch eine Leitung 14, die den Eingang mit einem Punkt zwischen dem Sensor NTC und dem Widerstand R3 verbindet, an einen Eingang des ECU angelegt. Das ECU empfängt außerdem, über noch einen weiteren Eingang, eine Bezugsspannung vom Potentialteiler R4, R5.
Der gestrichelte Kasten 16 in der Zeichnung enthält Komponenten, die mit der Glättung und dem Störspitzenschutz der elektrischen Versorgung zusammenhängen. Ein weiterer gestrichelter Kasten 18 enthält Komponenten, die mit einer optionalen Infrarot-LED-Quelle zusammenhängen und die 1R-LED 20 und einen Reihenwiderstand R6 und eine Diode D1 umfassen.
Das ECU 2 der abgebildeten Ausführungsform ist eine programmierbare integrierte Schaltungsvorrichtung eines als solchen wohl bekannten Typs und bietet hohe Flexibilität bei der Regelung von LEDs. Das ECU ist dazu programmiert, den Lichtausgang von den LEDs über einen Bereich von Wetter-/Temperaturbedingungen zu maximieren. Dies geschieht durch Einstellen des LED-Stroms.
Für einen gegebenen Stromanstieg folgt bei konstanter LED-Sperrschichttemperatur ein gewisser Anstieg des LED-Lichtausgangs. Dieser Anstieg kann aus der Strom-Intensitäts-Charakteristik der LED ermittelt werden, die typischerweise in den Datenblättern des Herstellers zu finden und damit ohne weiteres verfügbar ist. Das ECU 2 trägt eine Darstellung dieser Charakteristik in seinem Speicher. In der Praxis bewirkt ein Anstieg des LED-Stroms jedoch einen Anstieg der abgegebenen Leistung und damit der LED-Sperrschichttemperatur, was tendenziell den LED-Lichtausgang reduziert. Die Abnahme des Lichtausgangs für einen gegebenen Anstieg der Temperatur kann aus der Temperatur-Intensitäts-Charakteristik der LED ermittelt werden, die ebenfalls typischerweise im Herstellerdatenblatt angegeben ist und vom ECU 2 gespeichert wird.
Wenn die LED-Lichtausgangsintensität als Funktion des LED-Stroms betrachtet wird, hat sie ein Maximum, an dem die Änderungsrate der Intensität mit dem Strom Null ist, oder an dem gleichwertig
Intensitätsanstieg pro mA = Intensitätsabnahme pro mA
(konstante Temperatur) (infolge Änderung der Sperrschichttemperatur)
Um die Größe auf der rechten Seite dieses Ausdrucks basierend auf der Temperatur-Intensitäts-Charakteristik der LED zu bestimmen, muss jedoch der Anstieg der LED-Sperrschichttemperatur für eine gegebene Änderung des Stroms berechnet werden, so dass die Bedingung folgendermaßen geschrieben werden kann: Intensitätsanstieg pro mA = (Intensitätsabnahme pro °C) × (Temperaturanstieg, °C pro mA)

(konstante Temperatur)

Der Temperaturanstieg pro mA kann jedoch nur durch Kenntnis des Wärmewiderstands der LED zur Umgebung (in °C/W) bestimmt werden. Für ein stabiles Innenraumsystem kann diese Größe als Konstante betrachtet werden, die durch Messung oder Berechnung ermittelbar ist und der optimale Strom kann entsprechend berechnet werden. Bei anderen Systemen, insbesondere dem vorangehend erörterten Beispiel der Flugzeugbeleuchtung kann sich der Wärmewiderstand infolge von Temperaturextremen, Luftströmung usw. verändern. In der dargestellten Ausführungsform wird, um solche Faktoren zu berücksichtigen, die Umgebungstemperatur überwacht, so dass der Wärmewiderstand zwischen der LED-Sperrschicht und ihrer Umgebung in Echtzeit berechnet werden kann.
Das ECU 2 kann die Änderung der Eingangsleistung an die LEDs für eine gegebene Stromänderung berechnen, da die LED-Spannung und der LED-Strom beide bekannt sind. Wenn die Annahme getroffen wird, dass diese Zusatzleistung durch Wärmeleitung von der LED-Sperrschicht weg abgegeben wird, wird die begleitende Temperaturänderung ermittelt, indem die Änderung der Leistung mit dem vorangehend erwähnten Widerstand zwischen den LEDs und ihrer Umgebung multipliziert wird. Tatsächlich wird ein beachtlicher Anteil dank des Lichtausgangs der LED abgegeben und bei einem anspruchsvolleren Vorgehen wird dieser Wärmeverlust von der Wärme abgezogen, die für das Erwärmen der LED aufgewendet wird.
Einstellungen des LED-Stroms, um maximale Helligkeit zu erreichen, erfolgen, basierend auf den vorangehenden Überlegungen, mittels eines adaptiven PID-Algorithmus (Proportional-Integral-Differential). Derartige Verfahren sind wohl bekannt und werden hierin nicht beschrieben.
Das Einstellen der LED für maximalen Lichtausgang auf diese Weise erhöht die Zuverlässigkeit der LED gegenüber der normalen Alternative des Einstellens des LED-Stroms auf das maximale Niveau, bei dem die maximale LED-Sperrschichttemperatur nicht überschritten wird. Das Senken des Stroms (um die Helligkeit zu erhöhen) senkt die Sperrschichttemperatur und führt zu verbesserter Zuverlässigkeit.
Es wurde festgestellt, das sich bei einer Flugzeugleuchte der Wärmewiderstand zwischen den LEDs infolge von Luftströmung, Höhe, Temperaturextremen und Wetter stark verändern kann, wie die folgenden Beispiele zeigen.

Widerstand Ist-Strom Optimaler Strom Sperrschichttemperatur Intensität relativ zum Optimum

2,6°C/W 66 mA 66 mA 93° 1,0

2,6°C/W 100 mA 66 mA 125° 0,85

0,6°C/W 100 mA 100 mA 53° 1,0
Folglich ist die Verwendung eines Umgebungstemperatursensors, der die Bestimmung des Wärmewiderstands ermöglicht, in dieser Situation äußerst vorteilhaft.

Claims

Verfahren zum Regeln des Stroms durch mindestens eine Licht emittierende Diode ("LED") (4), dadurch gekennzeichnet, dass es das Berechnen der Änderungsrate der LED-Ausgangsintensität mit dem Strom basierend auf (1) der Strom-Intensitäts-Charakteristik der LED und (2) der Temperatur-Intensitäts-Charakteristik der LED und der Änderungsrate der LED-Temperatur mit dem Strom, und das Implementieren eines adaptiven Algorithmus zum Regeln des LED-Stroms basierend auf der berechneten Änderungsrate der LED-Ausgangsintensität umfasst, wobei der Algorithmus durch Regeln des LED-Stroms dazu dient, die LED auf einen Zustand hin zu führen, in dem die berechnete Änderungsrate der LED-Ausgangsintensität null ist und die LED-Ausgangsintensität dadurch maximiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Berechnen der Änderungsrate der LED-Temperatur in Bezug auf den LED-Strom basierend auf (a) der Änderungsrate der LED-Eingangsleistung in Bezug auf den Strom, berechnet aus der LED-Vorwärtsspannung, und (b) der Änderungsgeschwindigkeit der von der LED abgegebenen Wärme in Bezug auf die Temperatur, berechnet aus dem Wärmewiderstand zwischen der LED und ihrer Umgebung.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend das Messen einer Umgebungstemperatur und Ermitteln des Wärmewiderstands basierend auf der gemessenen Umgebungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem adaptiven Algorithmus um einen Proportional-Integral-Differential-Algorithmus handelt.
LED-Treiberschaltung zum Regeln von Strom durch mindestens eine LED (4), dadurch gekennzeichnet, dass sie einen elektronischen Regler (2) umfasst, der mit der Strom- Intensitäts-Charakteristik der LED und der Temperatur-Intensitäts-Charakteristik der LED ausgestattet ist, wobei der Regler dazu angepasst ist, die Änderungsrate der LED-Ausgangsintensität mit dem Strom basierend auf der genannten Strom-Intensitäts- und der Temperatur-Intensitäts-Charakteristik der LED zu berechnen und einen adaptiven Algorithmus zu implementieren, der den LED-Strom basierend auf der berechneten Änderungsrate der LED-Ausgangsintensität regelt, um die LEDs auf einem Zustand hin zu führen, in dem die berechnete Änderungsrate der LED-Ausgangsintensität null ist und die LED-Ausgangsintensität dadurch maximiert wird.
LED-Treiberschaltung nach Anspruch 5, weiter umfassend einen Umgebungstemperatursensor, dessen Ausgang zum elektronischen Regler geleitet wird.
LED-Treiberschaltung nach Anspruch 5, wobei der elektronische Regler dazu angepasst ist, einen Wärmewiderstand zwischen der LED und ihrer Umgebung basierend auf dem Umgebungstemperaturausgang von dem Sensor zu ermitteln.
LED-Treiberschaltung nach Anspruch 5, wobei der elektronische Regler dazu angepasst ist, eine Änderungsrate der LED-Temperatur mit dem LED-Strom unter Berücksichtigung des Wärmewiderstands zwischen der LED und ihrer Umgebung zu ermitteln.
LED-Treiberschaltung nach Anspruch 8, wobei der elektronische Regler dazu angeordnet ist, die LED-Spannung zu überwachen und eine Änderungsrate der LED-Temperatur basierend auf der Annahme zu ermitteln, dass eine Änderung der LED-Eingangsleistung von einer gleichen Änderung der von der LED abgegebenen Wärme begleitet wird.