System und Verfahren zur Erfassung der Kennlinien von
Leuchtdioden (LEDs)
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Leuchtdioden (LEDs) und insbesondere auf das Gebiet der Erfassung von Kennlinien einer Leuchtdioden-Anordnung.
Leuchtdioden (LED) haben den Vorteil einer hohen Lebensdauer, weswegen sie in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden. Beispielsweise werden sie oft für Notbeleuchtungen eingesetzt, die automatisch eingeschaltet werden, wenn eine Netzversorgung für andere Leuchtmittel wie beispielweise Gasentladungslampen ausfällt.
Beim Betrieb einer Leuchtdiode wird sowohl die Leuchtdiode wie auch der zugehörige Schaltkreis durch den Betrieb erwärmt. Hierdurch können die Lebensdauer der einzelnen Komponenten verringert werden oder eventuell Überbelastungen der Leuchtdiode oder anderer Komponenten entstehen. Das zeitliche Verhalten der Leuchtdioden in Betrieb hinsichtlich Temperaturverhalten, Stromverhalten und Spannungsverhalten ist daher von großem Interesse.
Der Schaltkreis zum Betrieb und zur Ansteuerung der Leuchtdioden muss je nach Art der Leuchtdiode unterschiedliche ausgebildet und unterschiedliche
Strom/Spannungs-Werte liefern. Um Schäden an der
Leuchtdiode oder am Schaltkreis zu vermeiden, ist es daher notwendig, die Charakteristika der betriebenen Leuchtdiodenanordnung genau zu kennen.
Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, eine Technik bereitzustellen, die einen einfachen Betrieb von Leuchtdioden-Anordnungen erlaubt .
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Die Erfindung schlägt in einer Ausgestaltung vor ein System zum Betrieb einer Leuchtdioden-Anordnung, die zumindest eine Leuchtdiode aufweist, aufweisend: - Erfassungsmittel für den Strom durch die Leuchtdiodenanordnung sowie den Spannungsabfall über der Leuchtdiodenanordnung,
- Mittel zur Ermittlung der Anzahl und/oder Farbe der Leuchtdioden der Leuchtdiodenanordnung anhand von Informationen von den Erfassungsmitteln. Dies kann insbesondere anhand des dynamischen Widerstands der Leuchtdiodenanordnung und/oder der Temperaturabhängigkeit der U/I-Kennlinie der Leuchtdiodenanordnung erfolgen. Dazu können vorgesehen Erfassungsmittel sein, die einen die Temperatur der Leuchtdioden wiedergebenden Wert ausgeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, ein System zur Erfassung der Kennlinien für eine Leuchtdioden-Anordnung, die zumindest eine Leuchtdiode aufweist, wobei eine Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung zu betreiben und den Diodenstrom durch und die Spannung über der Leuchtdioden-Anordnung zu erfassen, und wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, bei einer ersten Temperatur der Leuchtdioden-Anordnung ein
erstes Strom/Spannungspaar und ein davon verschiedenes zweites Strom/Spannungspaar zu erfassen und danach bei zumindest einer zweiten Temperatur der Leuchtdioden- Anordnung ein drittes Strom/Spannungspaar und ein davon verschiedenes viertes Strom/Spannungspaar zu erfassen.
Das System kann dazu ausgelegt sein, das erste und zweite sowie das dritte und vierte Strom/Spannungspaar jeweils unmittelbar hintereinander zu messen.
Das System kann dazu ausgelegt sein, weitere Strom/Spannungspaare bei weiteren Temperaturen der Leuchtdioden-Anordnung zu erfassen.
Das System kann dazu ausgelegt sein, das erste und zweite Strom/Spannungspaar unmittelbar nach Inbetriebnahme der Leuchtdioden-Anordnung zu messen, so dass die erste Temperatur der Umgebungstemperatur der Leuchtdioden- Anordnung entspricht.
Das System kann dazu ausgelegt sein, bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ aus den bei gleichem Stromfluss und unterschiedlichen Temperaturen gemessenen Spannungswerten VF2 und VFi die aktuelle Temperatur Tj der lichtemittierenden (optisch aktiven) Schicht („Junction") zu berechnen aus
wobei T0 Umgebungstemperatur ist.
Vorzugsweise ist ein Temperatursensor vorgesehen zum Erfassen der Temperatur der Leuchtdiodenanordnung.
Das System kann desweiteren dazu ausgelegt sein, aus der Differenz zweier für unterschiedliche Temperaturen ermittelter Durchflußspannungswerte VF2o und VFi0 und aus den gemessenen Temperaturwerten Ti und T2 den Temperaturkoeffizienten γ zu berechnen aus
Vorzugsweise kann das System dazu ausgelegt sein, aus der ermittelten Spannungsdifferenz ΔUpg zweier für unterschiedliche Temperaturen ermittelter
Durchflußspannungswerte und der Temperaturänderung Δθ bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ, die Anzahl n der in der Leuchtdiodenanordnung in Serie geschalteten Leuchtdioden zu ermitteln, wie anhand der folgenden
Gleichung verdeutlich sein soll:
Δθ = ^FO . nγ
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Kennlinien einer Leuchtdioden- Anordnung, wobei eine Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung zu betreiben und den Diodenstrom und die Spannung an der Leuchtdioden-Anordnung zu erfassen, umfassend die Schritte, Erfassen eines ersten Strom/Spannungspaares und eines davon verschiedenen zweiten Strom/Spannungspaares bei einer ersten Temperatur, und Erfassen eines dritten Strom/Spannungspaares und eines davon verschiedenen vierten Strom/Spannungspaares bei zumindest einer zweiten Temperatur.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Kennlinien einer Leuchtdioden- Anordnung, wobei eine Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung zu betreiben und den Diodenstrom und die Spannung an der Leuchtdioden-Anordnung zu erfassen, umfassend die Schritte, Inbetriebnahme der Leuchtdioden-Anordnung, unmittelbar nach Inbetriebnahme Erfassen eines ersten Strom/Spannungspaares und eines davon verschiedenen zweiten Strom/Spannungspaares bei Umgebungstemperatur, Betreiben der Leuchtdioden-Anordnung über einen vorbestimmten Zeitraum und Erfassen eines dritten Strom/Spannungspaares und eines davon verschiedenen vierten Strom/Spannungspaares bei einer zweiten Temperatur.
Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung sollen nunmehr bezugnehmend auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen und die beiliegenden Figuren der Zeichnungen erläutert werden.
Fig. 1 zeigt dabei schematisch eine Schaltung zum Betrieb und zur Überwachung einer Leuchtdiodenanordnung,
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Kennlinie einer Leuchtdiode,
Fig. 3 zeigt die Grundsätze zur Berechnung des Verlaufs einer Kennlinie einer Leuchtdiode,
Fig. 4 zeigt das Prinzip der temperaturabhängigen Verschiebung der Kennlinie einer Leuchtdiode,
Fig. 5 zeigt schematisch die Daten, welche zur Bestimmung der Kennlinien gemäß der vorliegenden Erfindung erfasst werden,
Fig. 6A zeigt ein weiteres Beispiel für das Temperaturverhalten der Kennlinie einer Leuchtdiode,
Fig. 6B zeigt das temperaturabhängige
Verhalten der Kenngrößen eines Schaltkreises,
Fig. 7 zeigt ein erstes Beispiel für einen
Schaltkreis zum Betrieb einer Leuchtdiodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Schaltkreis zum Betrieb einer Leuchtdiodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 zeigt schematisch die Schritte zur
Bestimmung des Temperaturkoeffizienten gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 zeigt schematisch die Schritte zur Erfassung der Temperatur der optisch aktiven Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 11 zeigt schematisch die Schritte des Verfahrens zur sicheren Feststellung eines LED-Ausfalls.
In der Fig. 1 ist eine Leuchtdiodenanordnung 1 gezeigt, die im Ausführungsbeispiel mehrere in Serie geschaltete Leuchtdioden 2 aufweist.
Eine Steuereinheit 4 steuert und/oder regelt den Strom durch und die Spannung über der Leuchtdiodenanordnung 1. Bevorzugt führt die Steuereinheit 4 einen Konstantleistungsbetrieb oder einen Konstantstrombetrieb aus. Dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuereinheit 4 den Ist-Strom 8 mittels eines Messwiderstands 13 und gegebenenfalls auch die Ist- Spannung 9 der Leuchtdiodenanordnung 1 erfasst und durch einen Regler 10 auswertet, dem vorzugsweise ein interner oder externer Sollwert zugeführt ist.
Der Regler 10 gibt dann eine Steuergröße für die Strom- und/oder Leistungsregelung aus. In Beispiel von Fig. 1 steuert der Regler 10 den Steuereingang 12 eines als Transistors implementierten Linearreglers 11 an, der auf der potentialniederen Seite in Serie zu der Diodenstrecke geschaltet ist. Indessen sind auch andere Steuergrössen anwendbar, wie bspw. eine PWM-Modulation.
Die Steuereinheit 4 kann funktionell mit einem internen oder externen Speicher verbunden sein in dem wenigstens ein Satz an gemessenen Strom- und Spannungswerten zum späteren Vergleich mit den entsprechenden aktuellen Werten abgelegt und ausgelesen werden kann.
Die Steuereinheit 4 kann weiterhin eine Schnittstelle 6 zum Anschluss an eine externe Datenleitung 7 aufweisen. Über die Datenleitung, die eine Busleitung 7 sein kann, können Sollwerte für die Leistung und/oder den Strom der
Leuchtdiodenanordnung 1 beispielsweise von einer Zentrale her zugeführt werden.
Über diese externe Datenleitung 7 können aber auch Befehle zugeführt werden, durch die die Ausführung einer Fehlerüberprüfung durch die Steuereinheit 4 angewiesen und/oder das Ergebnis einer solchen Überprüfung abgefragt werden kann.
Grundsätzlich kann die Steuereinheit 4 dazu ausgelegt sein, die Fehlerüberprüfung kontinuierlich, in zeitlichen Abständen und/oder durch externe Befehle veranlasst durchzuführen. Das Ergebnis der Fehlerüberprüfung kann dann gezeigt, gemeldet oder signalisiert werden.
Der zeitliche Verlauf kann dabei durch eine Auswerteeinheit 14 durch Vergleich aktueller Werte mit beispielsweise abgespeicherten Werten aus der Vergangenheit erfolgen. Alternativ können weitere Daten beispielsweise die zeitliche Ableitung des jeweiligen Parameters ermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Leuchtdiodenanordnung 1 bestehend aus zwei in Serie geschalteten Leuchtdioden 2 beschränkt. Vielmehr kann die Leuchtdiodenanordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere in Serie geschaltete Leuchtdioden 2 umfassen, alternativ auch mehrere parallel geschaltete Leuchtdioden 2 oder auch mehrere parallel geschaltete Leuchtdiodenstrukturen, wobei jede Struktur wiederum eine oder mehrere in Serie geschaltete Leuchtdioden 2 umfassen kann.
Dementsprechend können zur Messung der verschiedenen Leuchtdiodenstrukturen oder der verschiedenen parallel und/oder in Serie geschalteten Leuchtdioden 2 oder Leuchtdiodenanordnungen 1 mehrere Einheiten zur Erfassung des Ist-Stroms 8 oder der Ist-Spannung 9 vorgesehen sein. Dementsprechend kann der Schaltkreis auch einen oder mehrere Schalter umfassen um selektiv bestimmte Leuchtdioden oder Leuchtdiodenstrukturen ansteuern zu können.
Die Steuereinheit 4 ist weiterhin dazu ausgelegt, die Leuchtdiodenanordnung 1, einzelne Leuchtdioden 2 oder einzelne Leuchtdiodenstrukturen anzusteuern und bei verschiedenen U/I-Paaren zu betreiben, d. h., bei verschieden Werten von Strom und/oder Spannung zu betreiben. Insbesondere ist die Steuereinheit 4 gemäß der vorliegenden Erfindung dazu ausgelegt, die Leuchtdiodenanordnung 1, die Leuchtdioden 2 oder Leuchtdiodenstrukturen in zumindest zwei Betriebsarten zu betreiben, wobei in der ersten Betriebsart die Leuchtdiodenanordnung mit einer niedrigeren Leistung bzw. einem geringeren Strom/Spannungspaar betrieben wird und in der zweiten Betriebsart die Leuchtdiodenanordnung 1 mit einer höheren Leistung bzw. mit einem höheren Strom/Spannungspaar betrieben wird.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für einen typischen Kennlinienverlauf einer Leuchtdiode (LED) . Die Kennlinie ist hierbei als Kurve innerhalb eines Koordinatensystems aufgetragen, bei welchem auf der X-Achse die Vorwärtsspannung Up, d. h. die Spannung mit der die
Leuchtdiode 2 bzw. die Leuchtdiodenanordnung 1 betrieben wird, dargestellt ist und bei welchem auf der Y-Achse der Vorwärtsstrom Ip dargestellt ist, d. h. der Strom, welcher
durch die Leuchtdiode 2 bzw. die Leuchtdiodenanordnung 1 fließt. Bekanntlich sieht der Kennlinienverlauf einer Leuchtdiode derart aus, dass erst ab einer definierten Durchflussspannung ein Stromfluss beginnt. Idealerweise würde der Widerstand der Leuchtdiode im Bereich größer als die Durchflussspannung gleich 0 sein, und der Strom steil ansteigen. In der Praxis steigt die Kennlinie im Bereich oberhalb der Durchflussspannung mit einer im Wesentlichen konstanten Steigung an.
Anhand von Fig. 3 wird schematisch erläutert, wie die Kennlinie einer Leuchtdiode mathematisch beschrieben wird. Wie aus Fig. 2 und Fig. 3 ersichtlich, steigt die Kennlinie im Wesentlichen linear an. Lediglich knapp oberhalb des Durchflussstromes weicht der tatsächliche von dem linearen Verlauf ab.
Im Bereich des linearen Verlaufs der Kennlinie wird anhand von zwei Messwerten eine Spannungsdifferenz ΔUjr und Stromdifferenz Δlp berechnet. Die Steigung der Geraden berechnet sich dann aus
ΔR = ^F (D ΔIF
wobei ΔR also die Steigung der U/I-Kennlinnie oberhalb der Durchflussspannung wiedergibt, was im folgenden als „dynamischer Widerstand" bezeichnet wird.
Die Durchflussspannung Upg (im Folgenden auch als VF0 bezeichnet) wird theoretisch durch Extrapolation der
Kennliniengeraden ermittelt, wobei Upg dem Schnittpunkt der extrapolierten Kennliniengeraden mit der X-Achse
entspricht. Der Kennlinienverlauf UpLgp lässt sich somit beschreiben als
UFLED = uF0 + ΔR • IF (2) .
Die Durchflussspannung und damit die Kennlinie zeigt eine thermische Abhängigkeit (Drift) , wobei dafür ein typischer Wert -3 mV/K ist. Eine solche Temperaturdrift ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 sind genauer gesagt drei verschiedene Kennlinien einer Diode gezeigt, wobei jede Kennlinie einer unterschiedlichen Temperatur der Diode entspricht. Die Steigung der Kennlinien Kl bis K3 ist hierbei identisch, lediglich die Durchflussspannung UpQ variiert. Hierbei ist die Durchflussspannung Upn am niedrigsten bei der Kennlinie K3 und am höchsten bei der Kennlinie Kl. Die Kennlinie K3 entspricht hierbei der höchsten Temperatur und die Kennlinie Kl der niedrigsten Temperatur. Die Änderung der Durchflussspannung wird im Folgenden mit ΔUpg gekennzeichnet.
Fig. 5 zeigt schematisch das Vorgehen zur Bestimmung der Kennlinien einer Leuchtdiode 2 oder einer Leuchtdiodenanordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß wird dabei eine Vierpunktmessung vorgeschlagen, bei der zuerst eine Stromspannungsmessung bei kleiner Leistung und somit im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur und danach sehr schnell bei hoher Leistung erfolgt. Somit sind bereits die zwei geraden Punkte für die Umgebungstemperatur bekannt. Dies ist schematisch in Fig. 5 dargestellt, wobei Pl dem Punkt auf der Kennliniengeraden bei Umgebungstemperatur entspricht, welcher bei niedriger Leistung gemessen wird. Der Punkt P2
entspricht dem Punkt auf der Kennliniengerade bei Umgebungstemperatur, welcher bei hoher Leistung gemessen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es hierbei von Bedeutung, dass die Messungen der Punkte Pl und P2 in kurzem zeitlichen Abstand erfolgen, so dass noch keine signifikante Erwärmung der Leuchtdiode 2 stattgefunden hat. Durch die beiden gemessenen Punkte Pl und P2, welche jeweils einem Stromspannungspaar entsprechen, kann somit die Kennlinie der Leuchtdiode bei Umgebungstemperatur eindeutig bestimmt werden.
Nach diesen Messungen wird die Leuchtdiode eine vorbestimmte Zeit bei hoher Leistung betrieben, wodurch sie sich erwärmt. Anschließend wird bei dieser höheren Temperatur wiederum bei hoher Leistung eine Stromspannungsmessung durchgeführt und danach wiederum in sehr kurzem Zeitabstand eine Messung bei geringer Leistung. Somit können für eine zweite Kennlinie bei einer höheren Temperatur ebenfalls zwei Messpunkte erfasst werden. Dies ist schematisch in Fig. 5 dargestellt, wobei der Punkt P3 dem gemessenen Stromspannungspaar bei hoher Temperatur und hoher Leistung entspricht, und der Punkt P4 dem gemessenen Stromspannungspaar bei hoher Temperatur und niedriger Leistung.
Anstatt das erste Stromspannungspaar Pl und P2 bei Umgebungstemperatur aufzunehmen, kann das erste Paar Pl und P2 auch bei einer von der Umgebungstemperatur abweichenden Temperatur aufgenommen werden. Wichtig ist lediglich, dass zwischen den Temperaturen der beiden Kennlinien ein genügend großer Abstand ist, so dass aus den aufgenommenen Kennlinien auf ein Temperaturverhalten der Leuchtdiode geschlossen werden kann. Des Weiteren ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der erste Messpunkt Pl
und der letzte Messpunkt P4 bei einer ersten Betriebsart gemessen werden und der zweite Messpunkt P2 und der dritte Messpunkt P3 bei einer zweiten Betriebsart gemessen werden. Dies vereinfacht die Ansteuerung, da nur zwei voreingestellte Betriebsarten gespeichert und verwendet werden müssen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, vier verschiedene Betriebsarten zur Messung der Punkte zu verwenden. Wichtig ist dabei lediglich, dass die jeweils innerhalb einer Kennlinie gemessenen Punkte bei genügend beabstandeten Leistungen gemessen werden, so dass eine Erstellung der Kennlinie ermöglicht wird.
Des weiteren ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Messung von lediglich vier Strom/Spannungspaaren beschränkt. Vielmehr ist es auch möglich, bei weiteren Temperaturen weitere Messpunkte aufzunehmen, um die Genauigkeit der ermittelten Kennlinien und des ermittelten Temperaturverhaltens zu erhöhen. Weiterhin ist es auch möglich, für jede Temperatur mehr als zwei Messpunkte der Kennlinien-Geraden aufzunehmen.
Vorteilhafterweise wird mit den Kennlinien auch die jeweilige Betriebstemperatur mit erfasst. In einem vereinfachten Verfahren kann man hierbei direkt nach Anschalten der Leuchtdiode von Umgebungstemperatur ausgehen. Nach einem ausreichend langen Betrieb der Leuchtdiode bei hoher Leistung kann, da in der Regel die Betriebstemperatur des Chips bei nominalem Arbeitsstrom bekannt ist, von der Betriebstemperatur ausgegangen werden. Die eventuelle Abweichung der Arbeitstemperatur durch einen Offset durch eine abweichende Umgebungstemperatur kann für dieses allgemeine Verfahren ohne Temperaturmessung vernachlässigt werden.
Für eine genaue Bestimmung der Kennlinien und Kennwerte kann die Temperatur auch mittels eines Sensors erfasst werden. Dies ist insbesondere bei der Kalibrierung des Leuchtdiodenmoduls von Vorteil, in späteren Verfahren kann aufgrund der ermittelten und abgespeicherten Kennlinien auch auf die Temperaturmessung verzichtet werden. Zur Temperaturmessung ist das Leuchtdiodenmodul mit einem Thermoelement 21 ausgestattet, welches es erlaubt, die absolute Temperatur auf dem Modul zu erheben. Idealerweise misst der Temperatursensor 21 hierbei die Temperatur der der optisch aktiven Schicht („Junction") der Leuchtdiode, in der die temperaturabhängigen physikalischen Prozesse ablaufen.
Dabei kann folgende Vorgehensweise angewandt werden: Bei Beginn der Messung (Einschalten der LED) sind sowohl der Temperatursensor 21 wie auch die optisch aktive Schicht auf der gleichen Temperatur (Umgebungstemperatur) . Wenn die Temperaturabhängigkeit der Vorwärtsspannung der LED bekannt ist, kann dann anhand der ggf. abgelegen von der optisch aktiven Schicht gemessenen Temperatur auf die genaue Temperatur der der optisch aktiven Schicht geschlossen werden.
Fig. 9 zeigt schematisch das Verfahren zur Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der Leuchtdiode. In einem ersten Schritt SO wird der Kalibrierungsbefehl an die Schaltordnung gegeben und von der Steuereinheit verarbeitet. Die folgenden Schritte werden dann jeweils durch die Steuereinheit bzw. den Leuchtdiodencontroller durchgeführt. In einem nächsten Schritt Sl wird die Temperatur T]_ des Moduls erfasst. Anschließend wird im
Schritt S2 mittels eines Referenzstromes die Vorwärtsspannung Vp^ der Leuchtdiode ermittelt und dieser
Wert dem gemessenen Temperaturreferenzwert T^ zugewiesen und beide Werte zusammen abgespeichert. Im folgenden Schritt S3 wird die Leuchtdiode über einen gewissen Zeitraum betrieben. Im folgenden Schritt S4 wird die Temperatur T2, die sich mittlerweile im Arbeitsbetrieb eingestellt hat, gemessen. In einem nächsten Schritt S5 wird dann mittels des in Schritt S2 verwendeten Referenzstromes die aktuelle neue Vorwärtsspannung Vp2 ermittelt und diese zusammen mit der Temperatur T2 gespeichert.
Der Temperaturkoeffizient γ, welcher die Temperaturdrift angibt, kann dann berechnet werden als
VF2- VFjTmV , T2 - T1 I K ' o:
Alternativ kann nach Ermitteln zweiter Kennlinien durch Extrapolation der Kennlinie auch die theoretische Durchflussspannung VF0 für jede der Kennlinien ermittelt werden, so dass sich die Temperaturdrift dann ergibt aus
Vγ F20 -Vγ FIO mF
Y = :3a) T -T
wobei VF2o und VFi0 jeweils die Werte für die Durchflussspannung der ermittelten Kennlinien sind. Der bei der Verwendung der Durchflussspannung liegt darin, dass durch die Normierung auf den Nullpunkt die zwei Strompunkte weniger exakt ausgelegt sein müssen, d.h. dass zwar der Stromfluss bekannt sein, aber nicht den exakt gleichen wert aufweisen muss.
Dies gilt darüber hinaus für alle vorgeschlagenen Verfahren, bei denen zwei Spannungswerte für verschiedene Kennlinien bei einem bestimmten Referenzstrom ermittelt werden: Alternativ kann auch die Kennlinien-Gerade extrapoliert werden, um die Durchflussspannung zu ermitteln und so auf die exakte Messung eines Referenzstromes verzichten zu können.
Herstellerseitig wird zwar der Temperaturkoeffizient für jede Leuchtdiode angegeben, allerdings können diese Werte für verschiedene Leuchtdioden, Größen, Farben oder auch Schaltanordnungen variieren. Mit dem vorgeschlagenen Kalibrierungsverfahren ist es möglich, schaltungsbezogen und für jede Leuchtdiode bzw. jede Leuchtdiodenanordnung den Temperaturkoeffizienten individuell und genau zu bestimmen.
Das Verfahren nach Fig. 9 kann auch dahingehend angewendet werden, dass nach einer einmaligen Ermittlung des
Temperaturkoeffizienten γ bei folgenden Strom bzw.
Spannungsmessungen γ als feste Größe in der Formel (3) bzw. (3a) eliminiert werden kann und somit über die
Temperatur und Spannung auf einen Fehler in der Leuchtdiodenanordnung geschlossen werden kann. D.h. bei bekannten γ wird so die Erkennung eines Fehlers der
Leuchtdiode bzw. Leuchtdioden-Anordnung 1 ermöglicht.
In einer ersten Anwendung der vorliegenden Erfindung kann nun nach erfolgter Kalibrierung durch das erfindungsgemäß vorgeschriebene Verfahren der Vierpunktmessung im laufenden Betrieb jeweils die Temperatur der LED. Das Verfahren beruht nun darauf, dass mittels des Referenzwerts der Leuchtdiodenspannung und den Messungen
im Betrieb die Differenz gebildet wird und gemäß Umstellung der Formel (3) auf die vorherrschende Temperatur der optisch aktiven Schicht („Junction") zurückgeschlossen werden kann. Dieses Verfahren ist in Fig. 10 nochmals dargestellt.
In einem ersten Schritt SlO befindet sich die Leuchtdiode in ausgeschaltetem Zustand. Kurz nach Einschalten der Diode wird in einem Schritt Sil die Modultemperatur mittels Sensor 21 erfasst. Im folgenden Schritt S12 wird die Vorwärtsspannung Vp mit Referenzstrom A erfasst und im nachfolgenden Schritt S13 die Vorwärtsspannung Vp mit
Referenzstrom B erfasst. Anschließend wird die
Kennliniengerade in Schritt S14 berechnet, des Weiteren wird die Durchflussspannung Vpg bei Starttemperatur berechnet und diese Kennwerte werden gespeichert. Im laufenden Betrieb der Leuchtdiode werden dann in Schritt S15 die Vorwärtsspannung Vp und/oder der
Vorwärtsstrom erfasst und hieraus die Durchflussspannung Vpg bestimmt und durch Umstellung der
Formel (3) durch Differenzbildung dann die Temperatur Tj der optisch aktiven Schicht berechnet. Im folgenden Schritt S16 kann die Temperatur Tj der optisch aktiven
Schicht durch entsprechende Ansteuerung der Leuchtdiode verändert werden. Im folgenden Schritt S17 sind weitere Vorgehensweise möglich, beispielsweise kann ein Status gemäss der DALI-Standarddefinition gesetzt werden oder ein sog. Emergency Bit, wenn die Leuchtdiode defekt ist.
Im einfachsten Fall kann nach erfolgter Kalibrierung oder bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ die Temperatur Tj der optisch aktiven Schicht ohne Temperaturmessung ermittelt werden aus
Tj = 1 /γ ( VF2 - VF1 + γ Tu ) , ( 3b )
wobei T0 Umgebungstemperatur ist.
Wie bereits erläutert, kann in obiger Formel (3b) alternativ auch statt der Spannungswerte bei bestimmten Stromreferenzwerten auch die jeweilige Durchflussspannung VF10 und VF2o ermittelt werden und diese dann in die Formel eingesetzt werden.
Die Vorteile dieses Verfahrens werden im Folgenden unter anderem anhand von Figuren 6A und 6B erläutert. Fig. 6A zeigt nochmals verschiedene Kennlinien für verschiedene Temperaturen T]_ bis T5, wobei T^ größer ist als T2 usw.
Fig. 6B zeigt die Stromspannungsverhältnisse im Schaltungskreis, welche ebenfalls temperaturabhängig sind. Die Abweichungen vom nominalen Wert sind in Fig. 6B als gestrichelte Linien dargestellt. Wenn derselbe Stromfluss bei verschiedenen Temperaturen verwendet wird, kann das aufgrund der Parameterabweichungen zu Variationen innerhalb des Schaltungskreises führen. Mit der vorgeschlagenen Methode, da die Kennlinien bekannt sind, kann auf eine Rückführung der Leuchtdiodenleistungsgrößen verzichtet werden, da ja bekannt ist, welche Stromspannungsverhältnisse bei vorgegebenen Strom bzw. vorgegebner Spannung vorliegen. Gemäß der vorliegenden Methode basieren die Messungen somit allein auf den Größen der Leuchtdiode. Veränderungen im Schaltungskreis können somit als Messfehlerquelle umgangen werden.
Mit dem vorliegenden Verfahren zur Bestimmung der Temperatur der optisch aktiven Schicht ist somit die
sichere Erkennung eines Leuchtdiodenausfalls insbesondere in Notfaiianwendungen möglich. Des Weiteren kann die Korrektur der Leuchtdiodenansteuerung variiert werden anhand der Temperatur, was wichtig ist, da die ausgesandte Lichtleistung und das Spektrum sich mit der Temperatur der optisch aktiven Schicht verändern. Des Weiteren ist gemäß der vorliegenden Erfindung nur ein Thermosensor 21 nötig, welcher je nach der Abschaltzeit sogar im Steuergerät 4 sein kann. Des Weiteren ist keine oder nur eine minimale Zusatzverdrahtung nötig, da die Temperatur der optisch aktiven Schicht für jeden Kanal separat bestimmbar ist. Die zwei Messpunkte benötigten des Weiteren keine genaue Stromstellung, lediglich der effektive Stromwert muss bekannt sein, damit die Arbeitsgerade berechnet werden kann.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird es ermöglicht, die Anzahl von in Serie oder parallel geschalteten Leuchtdioden innerhalb einer Leuchtdiodenanordnung 1 zu ermitteln und/oder auch die jeweils angeschlossenen Farbgruppen zu ermitteln.
Die Verschiebung ΔUpo der Durchflussspannung ist für jede
Leuchtdiode, da für jeden Halbleiter unterschiedlich. Damit gilt
Δθ = ^EQ. (4 n-γ
Hierbei ist Δθ die Temperaturänderung, γ der Temperaturkoeffizient und n gibt die Anzahl der Leuchtdioden in Serie an.
Zur Bestimmung der Anzahl der Dioden in Serie wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Kennlinie bpw. mittels Vierpunktmessung bestimmt und weitergehend ausgewertet. Dadurch kann ein Betriebsgerät eine Lasterkennung zur Farbermittlung der angeschlossenen LED(s) durchführen.
Aus der temperaturabhängigen Verschiebung der Kennlinie (dem Gradienten der Flussspannung aufgetragen über der Temperatur, der für verschiedene Materialien für die Leuchtdiodenchips unterschiedlich ist) wird auf die Farbe der Leuchtdiode geschlossen. Entscheidend ist dabei der Temperaturkoeffizient, der vom Halbleitermaterial abhängt und aus dem sich die Steilheit der Stromspannungskennlinie ergibt. Abhängig von diesem Kennwert ist die Änderung der Verschiebung der Kennlinie über die Temperatur unterschiedlich groß für unterschiedliche Leuchtdiodenchips. Der Betrag der Temperaturabhängigkeit der Kennlinie kann dann für die Erkennung des Leuchtdiodenchips und somit des durch die Leuchtdiode ausgesandten Spektrums herangezogen werden.
Wenn die Änderung der Flussspannung aufgrund der Temperaturänderung und die Temperaturänderung selbst, d. h., wenn ΔUpn und Δθ bekannt sind, dann kann mittels Umstellung der Formel (4) der Temperaturkoeffizient γ bestimmt werden. Anhand von Messungen an mehreren Punkten und im Wissen von möglichen Temperaturkoeffizienten, welche sich aus entsprechenden Tabellen für verschiedene Chips ergeben, kann auch auf die Anzahl der angeschlossenen Leuchtdioden geschlossen werden, da sich nur für gewisse Kombinationen sinnvolle Koeffizienten ergeben.
Figuren 7 und 8 zeigen zwei Beispiele für eine entsprechende Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist jeweils eine Leuchtdiodenanordnung 1 dargestellt, welche drei parallele Serien von Leuchtdioden umfasst. Des Weiteren ist eine Steuereinheit 4 vorgesehen, welche eine Spannungsquelle sowie eine zentrale Kontrolleinheit 20 umfasst. Je nach Bedarf sind weitere Komponenten 22 vorgesehen, welche einen Schalter, einen Widerstand oder andere notwendige Komponenten umfassen können. In der ersten Schaltung gemäß Fig. 7 ist der Temperatursensor 21 innerhalb der Leuchtdiodenanordnung 1 vorgesehen. Alternativ hierzu kann der Temperatursensor 21, auch wie in Fig. 8 dargestellt, innerhalb der Steuereinheit 4 vorgesehen sein. Der Temperatursensor 21 liefert hierbei die gemessenen Daten an die zentrale Steuereinheit 20.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 8 kann der Temperatursensor 21 direkt in einem integrierten Schaltkreis der Steuerschaltung 20 enthalten sein. Alternativ kann er auch direkt als temperatursensibles Bauelement wie bspw. NTC-Element oder Diode an einen IC der Steuerschaltung 20 angeschlossen sein und durch den IC der Steuerschaltung 20 ausgewertet werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Verdrahtung zwischen Steuerschaltung 20 und Temperatursensor 21 nötig ist.
Die Ausführungsform gemäss Figur 7 hat dagegen den Vorteil, dass die Temperatur direkt am LED-Modul überwacht werden kann und keine Rücksicht auf die Konstruktion der LED-Leuchte genommen werden muss.
Gemäss der Erfindung kann ein Betriebsgerät für LEDs anhand Temperaturmesswerte und elektrischer Kennwerte (Strom durch die LED-Anordnung und Gesamtspannungsabfall über allen in Serie geschalteten LEDs bei wenigstens zwei unterschiedlichen durch die Steuereinheit eingeprägten Strömen) , aber ohne Farbsensor selbsttätig anhand des oben definierten dynamischen Widerstands (siehe Gleichung (I)) bei bekanntem dynamischen Widerstand und bekannter Vorwärtsspannung der einzelnen LEDs unterschiedlicher Farbe ermitteln, wie viele LEDs welches Spektrums angeschlossen sind.
Es wird also die Gesamtkennlinie der Leuchtdiodenanordnung durch wenigstens Zweipunktmessung ermittelt und dann verglichen, bei welchen Werten für
- die Anzahl der Leuchtdioden n,
- die Vorwärtsspannung und dem dynamischen Widerstand welches LED-Typs sich diese Gesamtkennlinie ergibt. Diese Ermittelung benötigt keine Temperaturerfassung.
Wenn eine Temperaturmessung durchgeführt wird, kann alternativ oder zusätzlich (bspw. zur Plausibilisierung der obigen Erfassung) die Temperaturanhängigkeit der Vorwärtsspannung ermittelt werden. Die Anzahl der Leuchtdioden ergibt sich dann aus dem Vergleich der Temperaturabhängigkeit der gesamten Leuchtdiodenanordnung mit dem bekannten Wert einer einzelnen LED.
Die Erfindung nutzt dabei aus, dass der dynamische Ohm' sehe Widerstand LED-Chips deutlicher zu unterscheiden vermag als der Absolutwert der Durchflussspannung bei konstanter Temperatur, die sich aufgrund der üblichen Toleranzen überlappen.
Hierbei wird insbesondere zwischen zwei Farbgruppen unterschieden, wobei eine erste Farbgruppe die Kaltfarben wie Blue, White, Green und Cyan umfasst und eine zweite Farbgruppe, die Warmfarben wie Amber, Yellow und Red. Für die Kaltfarben, bspw. Blau kann der dynamische Widerstand bspw. 1 Ohm betragen, während er für die Warmfarben wie bspw. Rot bspw. 2,4 Ohm betragen kann.
Die vorliegende Methodik beschreibt einen Kalibrierzyklus, welcher die totale Vorwärtsspannung pro Kanal, d. h. die Vorwärtsspannung pro in Serie geschaltete Dioden, die Temperatur pro Kanal, den Temperaturkoeffizienten pro Kanal und den dynamischen Widerstand ΔR pro Kanal bestimmt. Mit diesen Werten kann schließlich sicher die angeschlossene Farbe bzw. Farbgruppe und die Leuchtdioden pro Kanal bestimmt werden. Ein Beispiel für eine entsprechende Berechnung ist in Fig. 11 dargestellt. Fig. 11 zeigt desweiteren die Verfahrensschritte zur sicheren Erkennung eines LED-Ausfalls.
Die Erfassung der Anzahl und/oder Farbe bzw. Farbgruppe der angeschlossenen LEDs kann insbesondere durch die Steuerschaltung 20 in dem Betriebsgerät ausgeführt werden. Das Betriebsgerät kann die genannten Informationen auch über eine Schnittstelle an ein weiteres Gerät, insbesondere eine Zentraleinheit (in einem Bussystem) aussenden. Die Zentraleinheit kann dann bspw. durch Adaptierung seines Steueralgorithmus auf die übertragenen Informationen bzgl. der Art und/oder Anzahl der angeschlossenen LEDs jedes Betriebsgeräts des Systems reagieren.
Diese Bestimmung kann verschiedene Vorteile in der Anwendung von Konvertern und Leuchtdiodenmodulen, z. B. im Bereich der Vitrinenbeleuchtung bringen. In Vitrinen kommen des Öfteren zwei Farbsysteme zur Verwendung, wobei z. B. Weiß die Hauptfarbe und Rot/Amber die Korrekturfarbe in einer Dimension darstellt. Die automatische Bestimmung der angeschlossenen Farbe ermöglicht eine freie Wahl der Anschlüsse für den Monteur. Zudem kommt es auch für den Controller nicht darauf an, ob nun zwei Ausgangsstufen mit weißen Leuchtdioden beschaltet werden und nur ein Kanal mit roten Leuchtdioden oder umgekehrt. Die Software passt nach der Durchführung des Mess- und Kalibrierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung den Steueralgorithmus dementsprechend an. Denn in solchen Anwendungen geht es vielfach nur darum, die Farbkoordinate
(bspw. im CIE-System) in kältere oder wärmere Richtungen zu verschieben (z. B. kaltes Weiß mit zusätzlichem Rot oder Orange oder beidem) . Als Beispiel kann in einer
Vitrine mit Silber Kaltweiß zum Einsatz kommen und in einer Vitrine mit Gold Warmweiß. In diesem Fall setzt der Controller auf Befehl den Rotanteil hoch.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zusätzlich in Kombinationen mit einem Farbsensor oder auch ohne Farbsensor verwendet werden. Während bei der Kombination mit einem Farbsensor dieser oft bei der Bestimmung der angeschlossenen Leuchtdiodenfarbe behilflich sein kann, so wäre er mittels des vorgeschlagenen Verfahrens nicht nötig. In vielen Anwendungen kann somit mittels der vorgeschlagenen Methode auf einen solchen Sensor verzichtet werden.
Mittels der vorgeschlagenen Methode wird somit des Weiteren eine komplizierte Inbetriebnahme oder Verdrahtung
bei der Montage vermieden. Dies ist insbesondere wichtig bei einem Sensor oder Lichtfeedback bei getrennten Steuereinheiten. Des Weiteren wird die Standardisierung vereinfacht .