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Die
Erfindung betrifft eine Steuerschaltung mit einem Taktgenerator
und einer Treiberschaltung zum getakteten Ansteuern mindestens einer
Leuchtdiode, zu der parallel ein Messwiderstand geschaltet ist,
von dem eine Messspannung abgreifbar ist, wobei das Impuls-Taktverhältnis
von dem Messspannungswert veränderbar ist.
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Aus
der
DE 101 08 132
A1 ist eine Treiberschaltung zum Treiben eines spannungsempfindlichen
Verbrauchers, nämlich einer oder mehrerer LEDs, von einem
entfernt liegenden Steuergerät aus bekannt. Um Statussignale
auswerten zu können, sind eine steuerbare Stromquelle und
ein die Stromquelle ansteuerndes Regelelement mit einem ersten Eingang
von einer vorgegebenen Referenzspannung und einem zweiten Eingang
zur Zuführung der Regelspannung für den Verbraucher
vorgesehen. Des Weiteren ist der Schrift zu entnehmen, dass solche
Treiberschaltungen vorzugsweise bei Heckleuchten in Kraftfahrzeugen
Anwendung finden, bei denen als elektrische Verbraucher Leuchtdioden
(LEDs) eingesetzt werden.
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Leuchtdioden
haben eine Strom-Spannungskennlinie, die der einer Zenerdiode ähnlich
ist. Bis zu einer bestimmten Spannung fließt kein Strom und
es gibt folglich auch keine Lichtaussendung. Wird diese Spannung
dann überschritten, steigt der Strom stark an und die LED
beginnt zu leuchten. In den meisten Fällen werden LEDs über
einen Vorwiderstand betrieben, der den Strom durch die LEDs für eine
bestimmte Versorgungsspannung bestimmt. Solange die Versorgungsspannung
konstant bleibt, ist auch der Strom durch die LEDs konstant. Die
Helligkeit der LED-Leuchte entspricht dann den gesetzlichen Anforderungen.
Im Kraftfahrzeug-Bordnetz schwankt die Versorgungsspannung bekanntlich
bei 12 V Betriebsspannung (Nennspannung) zwischen 9 V und 16 V und
kann in Ausnahmefällen, bei denen ein Fahrzeug von einem
externen Netzgerät ausgestattet wird, sogar 32 V erreichen.
Solange daher nur ein Vorwiderstand in Reihe mit den LEDs geschaltet wird,
würde eine solche Schaltung nicht hinnehmbare Helligkeitsschwankungen
bei Schwankungen der Versorgungsspannung zur Folge haben. Dies kann auch
eine Zerstörung der LEDs zur Folge haben, die aus Effektivitätsgründen
bei einer Normalspannung von 12 V bereits nahe ihrer Belastungsgrenzen
betrieben werden. Bei höheren Betriebsspannungen (Nennspannungen)
eines Bordnetzes, z. B. in Volt, sind die gleichen Verhältnisse
gegeben.
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Bei
allen bekannten Schaltungen erfolgt die Stromversorgung der LEDs
grundsätzlich über Konstantstromregler, so auch
in der vorzitierten Patentanmeldung, oder über veränder-
und einstellbare Spannungsregler. Aus dieser Schrift ist es ebenfalls bekannt,
parallel zu der Reihenschaltung von LEDs einen Ohmschen Widerstand
zu schalten. Aufgabe der enthaltenen zweiten Konstantstromquelle
ist es, durch Anschalten an eine Testleitung über einen Transistor
und einen Widerstand die LEDs auf Durchgang zu schalten und einen
Messstrom geringer Größe im ausgeschalteten Zustand
des Hauptschalters an die LED-Leuchte zu bringen, die die LEDs noch nicht
zum Glimmen bringt, wohl aber an dem parallel zu den LEDs geschalteten
Ohmschen Widerstand einen so deutlichen Spannungsabfall hervorruft,
dass dieser auf der Statusleitung detektiert und ausgewertet werden
kann. In der Open-Load-Ausfallsituation kann kein Strom mehr durch
die LEDs fließen. Als direkte Folge fließt ein
wesentlich geringerer Strom durch die Zuleitung und den parallelen
Ohmschen Widerstand, wodurch das Potenzial am Ausgang des in die
Testleitung geschalteten Widerstandes aufgehoben wird. Es ergibt
sich also ein Fehlerpuls der Open-Load-Ausfallsituation in der Nähe
der Referenzspannung z. B. von 5 V. Bei intakter Last stellt sich
ein mittlerer Pegel ein und das Testsignal ist ein einfaches Rechtecksignal
zwischen 0 und 5 V.
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Ausgehend
vom bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, für die LED ein anderes Steuersystem vorzusehen,
das auch bei Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle
eine gleichbleibende Helligkeit der LED oder der LEDs sicherstellt.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch Ausgestaltung der Steuerschaltung nach den
im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Während
bei der bekannten Schaltungsanordnung die Stromversorgung der LEDs über
eine Konstantstromquelle erfolgt, ist nach der Erfindung vorgesehen,
dass die Leuchtdiode oder die in Serie geschalteten Leuchtdioden
einer Kette mit einer einschaltbaren Konstantspannungsquelle verbunden sind,
während der Strom variieren kann.
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Die
Verwendung der Konstantspannungsquelle als Versorgungsquelle hat
den Vorteil, dass aus einer Quelle mehrere parallele Zweige von Leuchtdioden
versorgt werden und diese unabhängig voneinander ein- und
ausgeschaltet werden können. Die Ausgangsspannung bleibt
dabei konstant.
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Des
Weiteren bietet sie, im Falle, dass sie einstellbar oder umschaltbar
ist, die Möglichkeit von derselben Konstantspannungsquelle
die Messspannung während der Sperrphase der Leuchtdiode
eine Messung an dem parallelen Widerstand anzulegen. Hierzu ist
vorgesehen, dass in Reihe mit dem parallel zur Leuchtdiode geschalteten
Messwiderstand ein Widerstand zu schalten ist, wobei die Konstant spannungsquelle
derart einstellbar oder umschaltbar ist, dass von einem in Reihe
mit dem parallel zur Leuchtdiode geschalteten Messwiderstand, der
mit dem Reihenwiderstand eine Messbrücke bildet, von der gesperrten
Leuchtdiode während einer definierten Messperiode eine
unterhalb der Flussspannung der Leuchtdiode liegende Spannung von
der einstellbaren Konstantspannungsquelle anlegbar ist und von der
Messbrücke eine Messspannung während der Messperiode
abgreifbar ist, die eine Auswerteschaltung veranlasst, die Konstantspannungsquelle
auf eine bestimmte Flussspannung und das Impulstaktverhältnis
des Taktgenerators derart einzustellen, dass die Lichtstärke
der Leuchtdiode oder der Leuchtdioden nahezu konstant ist.
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Die
einzelnen Leuchten, z. B. Leuchten an Kraftfahrzeugen, können
mehrere Dioden aufweisen, z. B. die Rückleuchten, um eine
ausreichende Lichtstärke zu erzeugen, damit der nachfolgende
Verkehrsteilnehmer auf die Ruckleuchten aufmerksam wird. Die Leuchtdioden
sind dann in Gruppen in Reihe geschaltet. Die Links/Rechts-Leuchten
werden vom entfernten Steuergerät angesteuert. Die Steuerschaltung
selbst kann dabei ebenfalls in dem Steuergerät integriert
oder aber im Bereich der Leuchte oder in der Leuchte selbst angeordnet
sein. Des Weiteren kann der Parallelwiderstand die gesamte Gruppe
der Leuchtdioden überspannen und ebenfalls parallel zu
dem eventuell vorgesehenen Vorwiderstand vorgesehen sein.
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Der
Parallelwiderstand kann auch ein NTC-Widerstand oder thermischer
Widerstand sein. Die Verwendung eines solchen hat den Vorteil, dass Erwärmungen
erfasst und beim Tastverhältnis berücksichtigt
werden können.
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Die
Steuerschaltung kann grundsätzlich so ausgelegt sein, dass
hierüber auch verschiedene Lampen, auch Kombinationslampen,
steuerbar sind. Um die Messwerte für die Regelung der getakteten Steuerung
zu erfassen, ist es dann zweckmäßig, an mindestens
einer LED-Anordnung einen Pa rallelwiderstand mit einer Messbrücke
vorzusehen. Diese kann grundsätzlich aber auch bei anderen,
gesondert anzuschaltenden einzelnen Gruppen von LEDs angeordnet
oder vorgesehen sein. In Abhängigkeit des Messwertes wird
in bekannter Weise dann das Tastverhältnis der Ansteuerimpulse
für den Normalbetrieb geregelt, während die Konstantspannungsquelle
jeweils zwischen Normalversorgungsbetrieb und Messbetrieb auf unterschiedliche
Spannungswerte umgeschaltet wird. Um die getaktete Ansteuerung der
LEDs und der Messbrücke zu ermöglichen, können
parallel zum Fußpunktwiderstand der jeweiligen Messbrücke
ein elektronischer Schalter zum getakteten Leitendschalten sowie
in Reihe mit der Leuchtdiode oder mit der Leuchtdiodenanordnung
ein solcher Schalter vorgesehen sein.
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Die
vorteilhaften Ausgestaltungsformen der Steuerschaltung sind in den
Unteransprüchen im Einzelnen angegeben, ebenso vorteilhafte
Einsätze in Lampen und Leuchten. Um eine gleiche Helligkeit aller
LEDs, insbesondere in parallel geschalteten LEDs, zu erreichen,
ist es zweckdienlich, angepasste oder einstellbare Widerstände
in Reihe mit den Dioden zu schalten und diese in Abhängigkeit
von der gemessenen Lichtstärke einzustellen. Eine Möglichkeit
besteht darin, ausgewählte Vorwiderstände oder durch
Laser abgleichbare Widerstände mit den LEDs zu kombinieren,
was beispielsweise aus der
DE
100 37 420 A1 bekannt ist. Auch lassen sich hierdurch Abgleiche
auf LEDs mit unterschiedlichen Eigenschaften und Farben auf einfache
Weise realisieren.
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Die
Anordnung der Einstellwiderstände parallel zur LED-Verschaltung
ermöglicht die Trennung von Ansteuerelektronik und LED-Träger
ohne zusätzlichen Verdrahtungsaufwand. Durch die Trennung der
Applikationen wird die Flexibilität in Bezug auf Integration,
Montage, Platzbedarf, Leitungsverlegung und Wiederverwertbarkeit
durch Nutzung der Ansteuerung mit verschiedenen LED-Anordnungen
erhöht. Aus diesem Grunde kann die Steuerschaltung in das
zentrale Steuergerät verlegt werden. Sie kann aber auch
in unmittelbarer Nähe der Leuchtdioden angeordnet sein.
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Der
parallele Messwiderstand kann parallel zu einer einzigen Diode auch
dann geschaltet sein, wenn in Reihe mehrere Dioden geschaltet sind.
Der parallele Einstellwiderstand kann auch den Vorwiderstand und
eine LED überbrücken oder aber auch den Vorwiderstand
sowie eine Reihe von LEDs. Bei der Anordnung und Auswahl des Einstellwiderstandes parallel
zur LED muss berücksichtigt werden, dass der Einstellwiderstand
in einem Bereich gemessen werden kann, in dem der Widerstandsstrom
deutlich höher ist als der Strom im Sperrbereich der LED.
Das Vorhandensein von Vorwiderständen stellt kein prinzipielles
Problem dar. Eine Beeinflussung muss jedoch verhindert werden. An
Stelle eines Festwiderstandes als Einstellwiderstand kann auch ein
variabler Widerstand eingesetzt werden, so dass sich hierüber
veränderliche Größen an den LEDs messen
lassen.
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Bei
dem Einsatz von temperaturabhängigen Widerständen,
wie NTCs kann die Temperatur der LEDs erfasst werden. Dabei wird
für die Messung die LED kurz abgeschaltet und in der Aus-Phase
der Widerstand gemessen. Dadurch lassen sich leicht Überhitzungen
feststellen. Bei dem Einsatz von lichtempfindlichen Widerständen
kann die Umgebungshelligkeit und/oder die Helligkeit paralleler
LED-Zweige gemessen werden. Damit kann auch eine Nachführung
des LED-Lichtstroms über die Lebensdauer und/oder in Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur erfolgen. Wenn LED Arrays verwendet
werden, wird für die Einstellung der Parameter nur ein
Einstellwiderstand benötigt, dann können die weiteren Einstellwiderstände
für weitere Funktionen verwendet werden. Der Schalter zur
Steuerung der Messbrücke kann auch im parallelen Zweig
vorgesehen sein. Ebenso können verschiedene Messwiderstände
parallel geschaltet sein, die unterschiedlich geschaltet werden, um
unterschiedliche Messspannungswerte von der Auswerteschaltung in
der Steuerschaltung erfassen zu können.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand des in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels ergänzend erläutert.
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1 zeigt
in Form eines vereinfachten Schaltbildes eine Steuerschaltung mit
Messschaltung nach der Erfindung. Abgesetzt von der Leuchte ist
eine einstellbare Konstantspannungsquelle 1 vorgesehen,
die beispielsweise im zentralen Steuergerät selbst oder
in einem leuchtennahen Steuergerät integriert sein kann.
Mit der Konstantspannungsquelle 1 ist über eine
Verbindung 2 die Leuchtenanordnung mit LEDs verbunden.
Die erste Leuchtenanordnung besteht aus einer Leuchtdiode 3,
mit der in Reihe ein Vorwiderstand 4 geschaltet ist. Die
parallel geschaltete zweite Leuchtenanordnung besteht ebenfalls
aus einer Leuchtdiode 3 mit Vorwiderstand 4, falls
erforderlich. Die Vorwiderstände 4 sind so abgeglichen,
dass die Leuchtdioden 3 gleiche Helligkeit, also Lichtstärke,
aufweisen, wenn sie von dem Betriebsstrom beim Leuchten durchflossen
werden. Parallel zu der Anordnung der ersten Gruppe, nämlich Leuchtdiode 3 und
Widerstand 4, ist ein erster Messwiderstand 5 parallel
geschaltet. Ebenso sind ein Messwiderstand 6 und eine Reihe
hierzu angeordneter Schalter 7, der ein elektronischer
Schalter sein kann, bei der zweiten Leuchtdiodenschaltung vorgesehen.
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Die
Messbrücke der ersten Leuchtenanordnung wird aus dem parallelen
Messwiderstand 5 und dem gegen Masse geschalteten Widerstand 8 gebildet.
In Reihe mit dem Widerstand 8 ist ein elektronischer Schalter 9 geschaltet,
der von der Steuerschaltung 10 während der Messphase
eingeschaltet wird. Die Messphase erfolgt im Sperrbereich der Leuchtdiode 3.
Das Messergebnis wird vom Widerstand 8 abgegriffen und
der Auswerteschaltung 11 zugeführt, die wiederum
das Tastverhältnis für die Ansteuerung der Leuchtdiode 3 in
Abhängigkeit des Messwertes verändert. Die Leuchtdiode 3 erhält
ihren Betriebsstrom entsprechend dem Tastverhältnis bei
gleichzeitigem Schließen des Schalters 12 und
bei geöffnetem Schalter 9. Dieses Messprinzip
mit der Einstellung der Betriebsparameter kann für eine
beliebige Anzahl von LED Anordnungen parallel erfolgen. Werden für die
Einstellung der Betriebsparameter nicht alle Messwiderstände
benötigt, da sich die Parameter in den einzelnen Gruppen
gleichen, können die Messwiderstände der weiteren
LED-Anordnungen für weitere Funktionen genutzt werden.
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Eine
gleiche Steuerung bewirkt auch die Steuerschaltung 13,
die die zweite Gruppe ansteuert. Auch dort sind ein Schalter 9 in
der Messbrücke, bestehend aus dem parallelen Widerstand 6 und
dem gegen Masse geschalteten Widerstand 8, und ein Schalter 12 angeordnet,
der eingeschaltet ist, wenn der Betriebsstrom durch die Leuchtdiode 3 fließt.
Zusätzlich ist hier ein Schalter 7 im Parallelzweig
eingezeichnet, wodurch verdeutlicht werden soll, dass dann, wenn
mehrere Parallelwiderstände angeordnet sind, die einzelnen
Parallelwiderstände wahlfrei zu- oder abschaltbar sind.
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Der
Messwert gibt in dieser Messanordnung die jeweilige Schalterstellung
wieder, wodurch z. B. abgesetzte Bedieneinheiten mit Funktionsleuchtung bei
geringem Verdrahtungsaufwand realisiert werden können.
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Die
Funktion der Schaltung ist Folgende:
Im LED-Betrieb wird die
Vorsorgungsspannung Out auf eine für die LEDs notwendige
Spannung angehoben. Mittels der Schalter 12 werden die
LEDs eingeschaltet. Durch das dadurch entstehende Pulsweitenverhältnis
(PWM-Verhältnis) kann die Helligkeit der Dioden 3 eingestellt
werden. Zur Messung der Messwiderstände 5 und 6 wird
die Versorgungsspannung hingegen auf einen Wert unterhalb der Flussspannung
der LEDs reduziert. Bei nun geschlossenen Schaltern 9 und
geöffneten Schaltern 12 kann der Messwiderstand über
einen Spannungsteiler der Messbrücke gemessen werden. Die
Betriebszustände sind veranschaulicht in 2.
Die Nutzung nur einer Spannungsquelle, die umschaltbar und zugleich eine
Konstantspannungsquelle ist, wird zudem sichergestellt, dass auch
bei unterschiedlichen Charakteristika der LEDs keine der LEDs während
der Messung leuchtet.
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Dadurch
können nicht erforderliche Messwiderstände entfallen,
z. B. braucht nur in einem Zweig gemessen werden. Dies setzt allerdings
voraus, dass die Vorwiderstände so angepasst sind, dass
unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Lichtstärken der
Dioden eine gleiche Helligkeit aller Leuchtdioden und Leuchten gegeben
ist. Auch können Schaltzustände (Schalter 7)
ermittelt werden oder Widerstandswerte mit hoher Varianz, wie Temperaturwiderstände
mit mehreren 100 kOhm bei tiefen Temperaturen und 1 kOhm bei hohen
Temperaturen, in Parallelkreisen gesteuert einschaltbar vorgesehen
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10108132
A1 [0002]
- - DE 10037420 A1 [0013]