PWM-Ansteuerverfahren

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein PWM-Ansteuerverfahren sowie eine entsprechende Ansteuereinrichtung zur Beeinflussung der Helligkeit von Leuchtkörpern oder Leuchtmitteln, umfassend eine Spannungs-oder Stromquelle zur Erzeugung von Strompulsen, wobei die Stromstärke I_MAX der Strompulse größer als die maximal zulässige Stromstärke I_G für Dauerbetrieb ist, wobei der arithmetische Mittelwert gleich der maximal zulässigen Stromstärke I_G für Dauerbetrieb ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein PWM-Ansteuerverfahren sowie eine Ansteuereinrichtung zur Beeinflussung der Helligkeit von Leuchtkörpern gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4.

[0002] Mit PWM-Ansteuerung ist die sog. Puls-Weiten-Modulierte Ansteuerung von bspw. Lampen oder Anzeigenelementen gemeint. Die Puls-Weiten-Modulation wird bekanntermaßen sowohl für die Ansteuerung von Lichtelementen, als auch von elektrischen Betätigungselementen eingesetzt. Hierbei findet die elektrische Beaufschlagung eines Beleuchtungselementes oder eines elektrisch betätigbaren Elementes nicht mehr über eine Dauerstrombeaufschlagung statt, sondern es werden Stromimpulse bzw. Spannungsimpulse aufgegeben. Dabei können entweder die Pulsdauern, in denen die Strombeaufschlagung stattfindet, in ihrer Dauer und somit in ihrer Pulsbreite variiert werden, oder es können die Auszeiten zwischen den Pulsen in ihrer Dauer und damit in ihrer Breite variiert werden. In beiden Fällen hat dies einen Einfluß auf das Beleuchtungselement oder das elektrische Betätigungselement. Auf diese Weise können beispielsweise auch Dimm-Schaltungen insbesondere für Leuchtstofflampen realisiert werden. Um Leuchtstofflampen in ihrer Leuchtwirkung abdimmern zu können, muß der für die Entladung notwendige Strom bzw. die dazu notwendige Spannung vorhanden sein. Jedoch wird durch die temporäre Austaktung bzw. die Einbringung einer Pulspause das Integral der zugeführten Leistung reduziert. Damit reduziert sich dann effektiv die Lichtleistung, obwohl die für den jeweiligen Leucht- oder Zündvorgang notwendige Spannung ihren Maximalbetrag also ihren Spitzenwert beibehält.

[0003] Aus der DE 197 11 885 A1 ist eine PWM-Ansteuerung bei Deko-Lampen angegeben, bei welcher über die PWM-Regelung definierte Helligkeitsveränderungen vorgenommen werden. Die dort dargestellte PWM-Steuerung ist für Lichterketten etc. vorgesehen.

[0004] Aus der EP 0 546 378 ist eine PWM-Steuerung für LCD-Displays oder LCD-Anzeigen angegeben. Auch hierbei wird über die dargestellte Vorgehensweise eine Veränderung der Helligkeit vorgenommen.

[0005] Aus der JP 7183779 ist eine PWM-Steuerung ebenfalls für ein Display angegeben.

[0006] Aus der DE 43 20 857 A1 wird eine Puls-Weiten-Modulierte Ansteuerung in Verbindung mit Entladungslampen bei Kraftfahrzeugen verwendet. Die PWM-Steuerung soll dabei dem Zündvorgang der besagten, bei Kraftfahrzeugen verwendeten Entladungslampen begünstigen.

[0007] Die drei erstgenannten Dokumente aus dem Stand der Technik befassen sich mit der Problematik der Dimmung insbesondere gleichstrombetriebener elektronischer Anzeigen. Die im vierten Dokument genannte PWM-Steuerung dient der Optimierung des Zündvorganges und der Dauerbetreibung von Entladungslampen bei Kraftfahrzeugen.

[0008] Vielfach werden bei Kraftfahrzeugen nicht nur Anzeigeelemente, sondern auch Signalelemente aus elektronischen Leuchtkörpern wie lichtemittierenden Dioden realisiert, wobei jedoch die erzielbaren Lichtleistungen begrenzt sind.

[0009] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein PWM-Ansteuerverfahren sowie eine entsprechende Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Leuchtkörper oder Leuchtmittel bei Kraftfahrzeugen optimaler genutzt werden können.

[0010] Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0011] Kern der Erfindung ist hinsichtlich des Verfahrens darin zu sehen, daß bei Betätigung von Leuchtkörpern oder Leuchtmitteln, insbesondere von Kfz-Signallampen zur Erzielung eines temporären Helligkeitsmaximums der Spitzenstrom im gepulsten PWM-Betrieb ein mehrfaches des maximalen Dauerstromes ist, wobei der arithmetische Mittelwert gleich der maximal zulässigen Stromstärke für den Dauerbetrieb ist. Dadurch werden die Leuchtmittel temporär im Überlastbereich betrieben. Aufgrund des quadratischen Zusammenhangs zwischen Strom und Leistung bei ohmischen Vorgängen führt dies zu einer Erhöhung der effektiven Leistung, obwohl die jeweilige mittlere Stromstärke gleich ist. Insbesondere bei nur temporär aktiven Verbrauchern ist dabei die kurzzeitige erhöhte Leistungsaufnahme unkritisch und führt nicht zur Zerstörung der Leuchtmittel.

[0012] Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei lichtemittierenden Dioden LED's anwenden, um deren anderweitige Vorteile zum Tragen zu bringen, wie beispielsweise geringere Verlustwärme und kompakter Aufbau. Zwar nimmt bei LED's die Lichtleistung nur noch linear mit der Stromstärke zu, so daß die insgesamt emittierte Lichtleistung konstant ist, jedoch stellt sich für den menschlichen Betrachter insgesamt aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges ein helleres Erscheinungsbild ein.

[0013] Deren Lichtleistung bzw. die Leuchtwirkung und demnach die entsprechende Eignung als Signallampen ist im üblichen Dauerbetrieb deutlich niedriger als die Leuchtkraft von beispielsweise halogenunterstützten Glühlampen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch möglich, Signallampen, welche aus einer Mehrzahl von Leuchtdioden bestehen, in ihrer Lichtleistung bzw. in der physiologischen Lichtwahrnehmung erheblich zu steigern. Dies wird dadurch erreicht, daß die den lichtemittierenden Effekt bewirkenden Ströme durch die besagten Leuchtdioden und daraus gebildeten Signallampen ein mehrfaches des üblicherweise verkraftbaren Dauerstromes ist. Um die besagten Leuchtdioden jedoch nicht zu zerstören, wird die besagte Überhöhung des Spitzenstromes gepulst, d. h. geregelt gepulst, im PWM-Betrieb vorgenommen. Beispielhaft könnte dies bedeuten, daß Leuchtdioden mit einer maximalen Dauerstromauslegung von 30 mA über den PWM-Betrieb gepulst mit Spitzenströmen von 90 mA betrieben werden. Durch die geregelte Einbringung von Pulspausen ergibt sich über eine Zeit betrachtet jedoch wieder ein mittlerer Strom, der im Hinblick auf die Pulszeiten und die eingestellten Pulspausenzeiten im Mittel wieder den maximalen Dauerstrom nicht überschreitet. Mit anderen Worten heißt dies, daß wenn der Strom als Funktion der Zeit dargestellt wird, das Integral unter der PWM-Taktkurve gleich dem Integral des Dauerstromes über die Gesamtbetriebszeit ist. Damit werden die Bauelemente, also die Leuchtdioden geschont, während die wahrnehmbare Leuchtwirkung vervielfacht wird.

[0014] Dabei ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß für die Dauer der Betätigung der Leuchtdioden die PWM-Ansteuerung so getaktet ist, daß die Pulsfrequenz größer oder gleich der Stroboskopfrequenz von 50 Hz ist, bei welcher über die menschliche Wahrnehmung ein scheinbares Dauerlicht entsteht. Das menschliche Auge erfaßt dabei das Licht gemessen an seiner Spitzenleitung, wobei die Takte in ihrer Frequenz dann so gewählt sind, daß die Pulspausenzeiten nicht mehr wahrgenommen werden. In diesem Fall wird die physiologische Wahrnehmung der Lichtwirkung durch das menschliche Auge ausgenutzt. Hierbei kommt es nicht auf eine integrale Erfassung eines Beleuchtungszustandes an, sondern das menschliche Auge registriert auf diese Weise die Leuchtleistungsspitzen.

[0015] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die verfügbare Bordspannung im Kraftfahrzeug ermittelt wird, und daß Bordspannungsschwankungen im Betätigungsfall der Signalleuchten derart ausgeregelt werden, daß auch dabei konstant maximale Leuchtleistung erzeugt wird. Hierbei soll einfach in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Mangel einer möglicherweise variablen oder schwankenden Bordspannung ausgeglichen werden. Hierzu wird bei niedrigeren Bordnetzspannungen und somit niedrigeren Stromstärken für die Strompulse die Pulseinzeit entsprechend verlängert.

[0016] Hierbei ist es notwendig, daß der Strom zu allen Zeiten gemessen werden kann, um eine möglichst, wie oben bereits beschrieben, in ihrer Leistung bzw. ihrer Lichtleistung konstante Ansteuerung der Signallampen zu gewährleisten.

[0017] In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leuchtkörper oder Leuchtmittel als Signalleuchten in einem Kraftfahrzeug ausgebildet, wie beispielsweise Bremsleuchten, Zusatzbremsleuchten oder Rückfahrlichter, da bei diesen nur kurzzeitig hohe Leuchtdichten benötigt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Fahrtrichtungsanzeiger.

[0018] Zur Erzeugung der notwendigen Spitzenströme im Bordnetz kann entweder die Bordnetzspannung selbst höher ausgelegt sein oder wenigstens ein Teilbordnetz mit höheren Spannungen umfassen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Spannungs- und Stromvervielfachern, die elektrisch oder elektronisch aufgebaut sind, wie beispielsweise ein DC/DC- Wandler.

[0019] Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

[0020] Es zeigt:

Figur 1:

PWM-Betrieb zur Ansteuerung von Leuchtdioden mit sowohl variabler Pulsein- als auch Pulsauszeit.

Figur 2:

Prinzipieller Aufbau der Einrichtung.

[0021] Figur 1 zeigt in ihrer schematischen Darstellung die hierbei verwendete Taktweise im PWM-Betrieb. Hierbei ist eine Grenzlinie dargestellt, welche den Dauerstrom I_G darstellt. Auf der Ordinate wird im Pulsweitenbetrieb ein Vielfaches des maximalen Dauerstromes I_G für entsprechende Pulszeiten generiert. Die Pulszeiten sowie auch die Pulsauszeiten sind so eingestellt, daß zum einen der physiologische Eindruck eines Dauerlichtes an einer Leuchtelektrode entsteht und zum anderen das Integral beider Signalläufe, also die Flächen unter dem konstanten Stromsignal gleich der Integralfläche unter der PWM-Kurve ist. Hierbei wird gewährleistet, daß der mittlere Strom nicht über dem maximalen Dauerstrom I_G liegt. Wohl aber wird für die kurzen Taktzeiten ein Spitzenstrom I_MAX generiert, der ein Mehrfaches ist und somit auch ein mehrfaches an Lichtemission an der Leuchtelektrode generiert. Die Pulsauszeiten bzw. die dadurch letztendlich bewirkte Frequenz der Taktung ist so gewählt, daß in der physiologischen Wahrnehmung des menschlichen Auges ein Dauerlicht erhöhter Intensität entsteht. Die so physiologisch erzeugte Lichtwirkung liegt bei weitem deutlich über der wahrgenommenen Lichtwirkung bei einer Dauerstrombeaufschlagung, wie sie durch die gerade Linie bei I_G repräsentiert wird. In beiden Fällen wird jedoch die gleiche Leistung auf die Leuchtdiode gegeben. Jedoch ist im letztgenannten Fall die menschlich wahrgenommene Lichtwirkung deutlich geringer. Vorzugsweise wird

gewählt.

[0022] Figur 2 zeigt eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Hierbei besteht die dargestellte Signalleuchte 1 aus lichtemittierenden Dioden 10 LED's. Die diese beaufschlagende Stromspannungseinheit 2 ist dabei PWM-gesteuert und liefert den in Figur 1 dargestellten Stromverlauf in der dort dargestellten getakteten Weise. Bei entsprechender Einstellung maximal ausbeutbarer Lichtwirkung kommt es auf eine entsprechend geregelte Einflußnahme sowohl auf die Pulseinzeiten, wie auch die Pulsauszeiten an. Die Pulsauszeiten geben letztendlich die Frequenz wieder, unter der ein physiologischer Eindruck von Dauerlicht entsteht und die Pulseinzeiten ergeben die maximal einstellbaren Spitzenströme vor, so daß die Verbindung zwischen Pulsein- und Pulsauszeit zusätzlich hierbei auch das Stromintegral auf das des Dauerstromes begrenzen.

[0023] Hierbei ist es weiterhin notwendig, daß eine Strommessung über entsprechende Mittel 3 im Strompfad der Leuchtdiode vorgenommen wird, so daß hier ein entsprechend regelungstechnischer Eingriff zur Ermittlung der Pulsein- und Pulsauszeiten für den jeweiligen Fall errechnet werden kann. Für die Ermittlung geeigneter Frequenzen, um ein Dauerlicht in seiner Wahrnehmung entstehen zu lassen, bedarf es Frequenzen, die gleich oder größer als 50 Hz sind. Beispielsweise können bei einem sonst zulässigen Dauerstrom von 30 mA für die entsprechende Leuchtdiode durchaus jedoch auch Spitzenströme in der Größenordnung von 90 mA zugelassen werden, was zu der besagten deutlichen Erhöhung der Lichtwirkung führt.

[0024] Somit erfolgt die Ansteuerung, hier bspw. einer Zusatzbremsleuchte, nicht direkt über das Betätigungselement 4. Bei einer Betätigung wird zunächst die Stromspannungseinheit mit integrierter PWM-Einrichtung angesteuert und hierüber dann erst das Signalelement mit den Dioden 10.

Ansprüche

1. PWM-Ansteuerverfahren, zur Beeinflussung der Helligkeit von Leuchtkörpern oder Leuchtmitteln,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Stromstärke I_MAX der Strompulse größer als die maximal zulässige Stromstärke I_G für Dauerbetrieb ist, wobei der arithmetische Mittelwert über eine Periode gleich der maximal zulässigen Stromstärke I_G für Dauerbetrieb ist.

2. PWM-Ansteuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz größer/gleich 50 Hz ist.

3. PWM-Ansteuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verfügbare Stromstärke der Strompulse erfaßt wird, wobei niedrigere Stromstärken durch eine Verlängerung der Pulseinzeiten ausgeglichen werden.

4. PWM-Ansteuereinrichtung zur Beeinflussung der Helligkeit von Leuchtkörpern oder Leuchtmitteln, umfassend eine Spannungs- oder Stromquelle zur Erzeugung von Strompulsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke I_MAX der Strompulse größer als die maximal zulässige Stromstärke I_G für Dauerbetrieb ist, wobei der arithmetische Mittelwert gleich der maximal zulässigen Stromstärke I_G für Dauerbetrieb ist.

5. PWM-Ansteuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulseinzeiten in Abhängigkeit der erfaßten Stromstärke veränderbar sind.

6. PWM-Ansteuereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtmittel als lichtemittierenden Dioden (10) ausgebildet sind.

7. PWM-Ansteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtkörper oder Leuchtmittel als Signalleuchten in einem Kraftfahrzeug ausgebildet sind.

Zeichnung