JP2012015123A - Ｌｅｄアレイ用制御回路および対応する作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、ＬＥＤ制御回路を、一層簡単で、著しくコストの面で有利であるように改良することである。
【解決手段】前記課題は、ＬＥＤ電流の平均値を一定に調整する調整回路が、マスタ・ストランドである第１のＬＥＤストランドの半導体スイッチ（Ｔ１）を制御するだけでなく、スレーブ・ストランドである第２のＬＥＤストランドの半導体スイッチ（Ｔ２）も制御することによって解決される。
【選択図】図１

Description

本願はこれを以て、まだ公開されていないドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ−Ａ１９９３０１７４．３号をはっきりと引き合いに出す。

本発明は、請求項１の上位概念に記載のＬＥＤ用制御回路および対応する作動方法から出発している。その際殊に、タイミング制御されるＬＥＤ制御回路を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）における制御損失電力の低減に係る。

発光ダイオード（ＬＥＤ）の制御の際、普通は、電流制限のための前置抵抗が使用される（例えばＵＳ−Ａ５９０７５６９号参照）。発光ダイオードにおける典型的な電圧降下（Ｕ_Ｆ）は数ボルトである（例えばＰｏｗｅｒＴＯＰＬＥＤではＵ_Ｆ＝２．１Ｖである）。ＬＥＤと直列である公知の前置抵抗ＲＶ（ＤＥ−Ａ１９９３０１７４．３号の第１図参照）は、バッテリー電圧Ｕ_Ｂａｔｔが高い電圧変動（普通はＫｆｚにあるような）に曝されているとき特に、高い損失電力を発生する。ＬＥＤにおける電圧降下はこの形式の電圧変動があってもなお一定にとどまる、すなわち残留電圧が前置抵抗Ｒ_Ｖにおいて降下する。従ってＲ_Ｖは交番的に多かれ少なかれ強く負荷される。実際には大抵、複数のＬＥＤが直列に（ストランド）接続されていて、制御において一層良好な効率が実現されるようにしている（ＤＥ−Ａ１９９３０１７４．３号の第２図）。車載電源装置（１２Ｖまたは４２Ｖ）に応じて、相応に多くのＬＥＤを１つのストランドにまとめることができる。１２Ｖ車載電源装置では、バッテリー電圧Ｕ_Ｂａｔｔの下限がある。すなわちそこまでは、法に定められた安全装置（例えば警告点滅装置）が機能するという限界である。それは例えば９Ｖである。すなわちここでは、４つまでのＰｏｗｅｒＴＯＰＬＥＤを１つのストランドにまとめることができる（４×２．１Ｖ＝８．４Ｖ）。

ＤＥ−Ａ１９９３０１７４．３号では更に、タイミング制御されるＬＥＤ制御を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）での制御損失電力の低減が記載されている。ＬＥＤのこの制御において、それぞれ個々のＬＥＤストランドはそれ自体で電流調整される。これによりできる限り大きな安全が計られるようになる（インテリジェントＬＥＤドライバモジュール、ＤＥ−Ａ１９９３０１７４．３号の第４図参照）。しかし例えば自動車のテールランプにおいて使用される場合のように、比較的大きな面積を照明するために、比較的大きな数のＬＥＤドライバモジュールが必要であるが、コストが高くつく。ＬＥＤドライバモジュールの数は２つの要因に依存している：
ＬＥＤストランドに対して使用可能な給電電圧Ｕ_Ｖが小さければ小さいほど、必要なストランドの数はますます大きい。
ＬＥＤストランドに対して使用しようとする、ＬＥＤの順方向電圧Ｕ_Ｆが大きければ大きいほど、僅かな数のＬＥＤしか１つのストランドにおいて使用することができない。
ＬＥＤドライバモジュールが多く必要になればなるほど、コストはますます高くなる。

ＤＥ−Ａ１９９３０１７４．３号において記載されているようなＬＥＤ制御に課せられる要求は勿論維持される、例えばＬＥＤストランドにおける温度調整および障害検出の可能性。

ＵＳ−Ａ５９０７５６９

本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載のＬＥＤ制御回路を、一層簡単で、従って著しくコストの面で有利であるように改良することである。

前記課題は、ＬＥＤ電流の平均値を一定に調整する調整回路が、マスタ・ストランドである第１のＬＥＤストランドの半導体スイッチ（Ｔ１）を制御するだけでなく、スレーブ・ストランドである第２のＬＥＤストランドの半導体スイッチ（Ｔ２）も制御することによって解決される。

マスタ・スレーブ原理に従ったＬＥＤに対するタイミング制御される電流調整部の基本原理を示す回路略図である。 個々のストランドにおいて種々異なる数のＬＥＤを有する場合の制御回路の別の実施例を示す回路略図である。 ２つのマスタ・ストランドを有する場合の制御回路の別の実施例を示す回路略図である。 リザーブ・マスタ・ストランドを有する場合の制御回路の別の実施例を示す回路略図である。 ＬＥＤに対するタイミング制御される電流調整部のＬＥＤ制御回路の原理を示すブロック図である。 障害検出の行われないＬＥＤ制御回路を示す回路略図である。 完全な障害検出の行われるＬＥＤ制御回路を示す回路略図である。

本発明の基本原理は、予め公知の制御のカスケード接続である。ＤＥ−Ａ１９９３０１７４．３号の構想に示されているＬＥＤ制御は次のようにまで簡単化される：基本的な制御クロックが、以下に「マスタ」と称する第１の上位のＬＥＤストランドのトランジスタＴ１の時計（クロック、ＣＬＫ）によって所属の調整回路のコンパレータの出力側において定められかつこのクロックは別の下位のＬＥＤストランド（スレーブ）に対しても使用可能である（図１）。ＬＥＤに直列に接続されている抵抗Ｒ_ＳＳｎが任意選択的な複数の付加的な分路抵抗Ｒ_{Ｓｈｕｎｔ}をなしている。これらは作動中必ずしも必要ではない。というのは、これらの値は非常に小さく選択されるからであり（約Ｒ_ＳＳ１＝１Ω）かつ調整設定されている順方向電流Ｉ_Ｆに不都合な影響を与えないからである。しかしスレーブ・ストランドにおいて断線検出が行われるべきであるときはこれらは不可欠である。

この構想によって、任意の大きさの面積の照明を基本的に唯一の調整回路によって実現することができる。ここではそれはいわゆるマスタ・スレーブ式電流調整であり、その際マスタ・ストランドがクロック（ＣＬＫ）を前以て決めかつすべての付加的なＬＥＤストランド（スレーブ・ストランド）はマスタクロックによって制御される。

最も簡単な実施の形態において、１つのマスタ・ストランドが使用される。この解決法は特別コストの面で有利である。しかしこの場合有利には、スレーブ・ストランドにおけるＬＥＤの数が唯一のマスタ・ストランドにおけるＬＥＤの数と同じ大きさであるようにされる。そうしなければ明るさもしくは輝度にも差異が生じることになるからである。

特別有利な実施の形態において、ストランドにおけるＬＥＤの数を変化させることができる。その際異なった数のＬＥＤを有している（例えばマスタ・ストランドにおけるＬＥＤの数が比較的大きいとき）ＬＥＤストランドを制御するために２つの異なった実施形態がある：
第１の形態において、付加的に、それぞれ１つの直列の負荷（抵抗、Ｚダイオード等）、殊に直列前置抵抗Ｒ_ｘｎがｎ番目のスレーブ・ストランドに接続されて、欠けている単数の発光ダイオード（ないし複数の発光ダイオード）を置換する。その際最大数の発光ダイオードを駆動するＬＥＤストランドの制御クロックがマスタクロックとして使用される（図２）。その際別のストランド（スレーブ・ストランド）におけるＬＥＤの数は同じ大きさかまたは小さく選択される。有利にはこの数はマスタ・ストランドにおける数より最大３０％だけ少なくなるようにして、損失が大きくなりすぎないようにされる。
第２の形態において、１つまたは複数の付加的なＬＥＤ調整回路（第２ないし第３というようなマスタ調整回路）がＬＥＤ制御モジュール（ＩＣ）に集積される。この制御モジュールのＬＥＤストランドは第１のマスタ・ストランドにおけるＬＥＤの数より僅かな数のＬＥＤによって動作する。その際作動電圧Ｕ_ＢａｔｔはすべてのトランジスタＴに接続されている。その場合第２のマスタ調整回路の制御クロック（ＣＬＫ２）は相応の僅かな数のＬＥＤを有するスレーブ・ストランドｎ群において使用することができる（図３）。この実施例は、それぞれ同じ数のＬＥＤを有するＬＥＤストランドの群に適している。

有利にも、マスタ・ストランドの故障耐性も改善される。というのは、マスタが何かある状態によって故障するとき（例えば断線）、そこに接続されているすべてのスレーブはマスタクロックをもはや使用できないからである。スレーブはもはや制御されずかつその場合には破壊から保護するために同様に遮断されなければならない。

それ故に有利には、スレーブ・ストランドの１つはリザーブマスタ・ストランドとして実現される。このことは、断線を検出するための手段がマスタ・ストランドの調整回路中にあり、この手段は調整回路の切換スイッチに接続されており、ここで切換スイッチは一方においてマスタ・ストランドに接続されており、他方においてリザーブマスタ・ストランドに接続されていることを意味している。その場合マスタが故障すれば、リザーブマスタ・ストランドに切り換えられる（図４）。この冗長性によって、マスタの作動具合に障害が生じた場合（断線）ただちにリザーブマスタに切り換えられることが保証されている。従って、接続されているスレーブ（図示されていない）が作動のための制御クロック（マスタクロック）を引き続き得ることが保証されている。

有利にも、マスタ１が規定通り動作している場合には、リザーブマスタはスレーブとして利用される。

有利には、ＬＥＤストランドにおける障害検出（誤機能）も改善される。最も頻繁に生じる障害の種類は断線および短絡である。ＬＥＤの故障は常に断線を意味している。この場合、それはＬＥＤストランドにおける断線を意味し、すなわちすなわち少なくとも１つのＬＥＤが故障している。

しかしそれにも拘わらず短絡が生じる可能性がある。しかもこの場合は図５に示されているように、ＬＥＤアノード（Ａ１）とアース（ＧＮＤ）との間の電気的な接続線路の断線の意味において（図５参照）。殊に自動車に使用される場合（例えばＬＥＤから成るテールランプ）この種類の障害は検出されて、障害発生時には、ＬＥＤドライバモジュールまたは短絡された負荷回路（ＬＥＤストランド）だけの遮断のような相応の対抗措置を開始できるようにしなければならない。障害例「短絡」は例えば、衝突事後が原因で生じる可能性がある。この場合にはテールランプは障害を受ける。

それ故にすべてのストランドにおいてエラーを検出するようにすれば非常に得策である。この目的のために、ドライバモジュール（ＩＣ）においてスレーブ・ストランドに対する検出器入力側が必要であり、しかも有利には、断線検出に対する第１の入力側（図５のＯＬ）および短絡検出に対する第２の入力側（図５のＳＣ）が必要である。ＯＬは「オープン・ロード（Open Road）」（断線）を表し、一方ＳＣは「ショート・サーキット（Short Circuit）」（短絡）を表している。

検出器入力側の総数は、監視されるべきスレーブ・ストランドの数に従って決まる。普通の場合、スレーブ・ストランド当たり２個の入力側がモジュールに必要である。

ＬＥＤ制御回路の基本的な要素はＤＥ−Ａ１９９３０１７４．３号に記載されている。そこで、図５に示されているように、マスタ・スレーブ方式に従った作動に対する要素が付け加えられる。理解のためにすべてを列記するものとする：
ＬＥＤにおける順方向電流の定電流調整（Ｉ_Ｆ＝一定）
外部、従ってフレキシブルな順方向電流調整設定
切換作動による小さな損失電力（大きな前置抵抗Ｒ_Ｖの省略）
ＬＥＤストランドにおける断線検出
ＬＥＤストランドにおける短絡検出
ＬＥＤの保護のための温度調整
第２のＬＥＤマスタ調整回路による、ストランドにおけるＬＥＤの数が異なる場合の制御の際のフレキシビリティ
所属のスレーブ・ストランドのＬＥＤの数が同じ場合のマスタ１およびマスタ２の制御クロック出力側（クロック出力側）
マスタ切換による安全性の増大
ロジック制御（マイクロコントローラ・コンパチブルＥＮＡＢＬＥ入力側）
作動中およびスタンバイモードにおける制御回路の僅かな自己電流消費
誤極性接続防止（ＩＣに集積されているまたはコネクタコード化によって外部で実現可能である）
過電圧保護
コンパクトなケーシング（例えばＳＭＤ技術に対するパワーＳＯケーシング）
温度領域−４０℃≦Ｔ_ｊ≦１５０℃
４２Ｖの車載電源装置（１２Ｖの車載電源装置に対しても実現可能）。

図１ないし図５については既に説明した。

図６の適用回路はスレーブ・ストランドに対する障害検出部なしで示されている。詳細はＤＥ−Ａ１９９３０１７４．３号の図８に示されている。スレーブ・ストランドは群毎に、調整される所属のマスタ・ストランドによって制御される。使用例において障害検出を省略することができる場合には、スレーブ・ストランドの検出器入力側（ＯＬおよびＳＣ）は固定の電位（例えばＨＩＧＨ）に接続しておくことができる。

図７はこれとは異なっている。ここでは、スレーブ・ストランドにおける障害検出に対する検出器入力側ＯＬおよびＳＬも利用される。

Claims (7)

1. ＬＥＤの少なくとも２つのストランドから成っているＬＥＤアレイに対する制御回路であって、
   １つのストランドは、直列に配置されている複数のＬＥＤから成っており、該ＬＥＤは給電電圧（Ｕ_Ｂａｔｔ）に接続されており、
   それぞれのＬＥＤストランドと所属の給電電圧との間に、半導体スイッチ（Ｔ）が直列に配置されており、該半導体スイッチはＬＥＤ電流をタイミングをとって供給することができるようにし、
   少なくとも第１のＬＥＤストランドにおいて順方向電流Ｉ_Ｆに対する分岐において、例えばＬＥＤとアースとの間に、電流Ｉ_Ｆを測定するための手段、例えば測定抵抗（Ｒ_{Ｓｈｕｎｔ}）がＬＥＤに対して直列に配置されており、
   調整回路が、以下マスタ・ストランドと称する第１のＬＥＤストランドの半導体スイッチ（Ｔ１）を、ＬＥＤ電流の一定の平均値が得られるように調整する
   形式のものにおいて、
   前記マスタ・ストランドはそのストランドに前以て決められている数ＸのＬＥＤを有しており、ここで前記調整回路は少なくとも、以下スレーブ・ストランドと称する別の、第２のＬＥＤストランドの半導体スイッチ（Ｔ２）も制御する
   ことを特徴とするＬＥＤアレイ用制御回路。
2. すべての付加的に存在しているＬＥＤストランドはそれぞれ、マスタ・ストランドと同じ数Ｘ個のＬＥＤを有しており、ここでマスタ・ストランドの調整回路はすべての付加的なＬＥＤストランドを一緒に制御する
   請求項１記載のＬＥＤアレイ用制御回路。
3. すべての付加的に存在しているｎ個のＬＥＤストランドは、Ｘ_ｎ個のＬＥＤを有しており、ここで数Ｘ_ｎ＝Ｘであり
   かつＸ_ｎ＜Ｘのときには、付加的な負荷、例えば抵抗Ｒ_ｘｎが、ＬＥＤストランドにおいてＬＥＤに直列に配置されている
   請求項１記載のＬＥＤアレイ用制御回路。
4. ＬＥＤの数が異なっている２つの群のＬＥＤストランドはそれぞれ１つのマスタ・ストランドに配属されており、ここで１つの群のスレーブ・ストランドのＬＥＤの数Ｘは所属のマスタ・ストランドにおけるＬＥＤの数と一致している
   請求項１記載のＬＥＤアレイ用制御回路。
5. スレーブ・ストランドの１つは、断線検出のための手段がマスタ・ストランドの調整回路に存在していることで、リザーブ・マスタ・ストランドとして実現されており、該断線検出のための手段は調整回路における切換スイッチに接続されており、ここで該切換スイッチは一方においてマスタ・ストランドに接続されておりかつ他方において前記リザーブ・マスタ・ストランドに接続されておりかつ、マスタ・ストランドに断線がある場合に該リザーブ・マスタ・ストランドに切り換えられるようになっている
   請求項１記載のＬＥＤアレイ用制御回路。
6. それぞれのストランド（マスタ・ストランドおよびスレーブ・ストランド）は付加的に、障害検出のための手段を有している
   請求項１記載のＬＥＤアレイ用制御回路。
7. 複数のＬＥＤストランドまたはアレイを作動するための方法において、
   ＬＥＤストランド（マスタ・ストランド）は、クロック周波数を前以て定める調整回路を備えており、かつ
   少なくとも１つの別のＬＥＤストランド（スレーブ・ストランド）は前記クロック周波数によって一緒に制御される
   ことを特徴とする方法。