Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für mindestens einen LED-Strang,
wobei seriell zu jedem LED-Strang ein Schalter angeordnet ist und jeder LED-Strang
einen Versorgungsanschluss aufweist, über den er mit einer Versorgungsspannung verbindbar
ist, wobei jeder Schalter derart ansteuerbar ist, dass ein Stromfluss in dem zugehörigen
LED-Strang ermöglicht wird, mit einem ersten Regelkreis, der ausgelegt ist, den Schalter
des mindestens einen LED-Strangs derart anzusteuern, dass ein einstellbarer Mittelwert
des den LED-Strang durchfließenden Stroms erzielt wird. Sie betrifft weiterhin ein
Verfahren zum Betreiben mindestens eines LED-Strangs, wobei seriell zu jedem LED-Strang
ein Schalter angeordnet ist und jeder LED-Strang einen Versorgungsanschluss aufweist,
über den er mit einer Versorgungsspannung verbindbar ist, wobei jeder Schalter derart
ansteuerbar ist, dass ein Stromfluss in dem zugehörigen LED-Strang ermöglicht wird,
folgende Schritte umfassend: Zunächst Ermitteln des Mittelwerts des den mindestens
einen LED-Strang durchfließenden Stroms und anschließend Ansteuern des Schalters des
mindestens einen LED-Strangs derart, dass ein einstellbarer Mittelwert des den LED-Strangs
durchfließenden Stroms erzielt wird.
Stand der Technik
[0002] Figur 1 zeigt eine derartige Ansteuerschaltung, bei der beispielhaft ein LED-Strang
durch vier LEDs D1 bis D4 gebildet wird. Auf der einen Seite des LED-Strangs ist ein
Schalter T1 angeordnet, der einerseits mit einem Regelkreis, andererseits mit einer
Versorgungsspannung U
V verbunden ist. Auf der anderen Seite ist der LED-Strang über einen Shunt-Widerstand
R
Sh mit Masse verbunden. Die am Widerstand R
Sh abfallende Spannung U
Sh wird einem Integrator 10 zugeführt, der an seinem Ausgang eine Größe bereitstellt,
die dem Mittelwert
LED des den LED-Strang durchfließenden Stroms
iLED entspricht. Die dem tatsächlichem Mittelwert des Stroms
LED entsprechende Größe
LEDist wird einem Eingang eines Komparators 12 zugeführt, dessen anderem Eingang eine Größe
zugerührt wird, die einem Sollwert des Stroms
LED durch den LED-Strang entspricht, nämlich
LEDsoll· Der Komparator 12 stellt an seinem Ausgang eine Regelspannung U
Regel bereit, die einem weiteren Komparator 14 zugeführt wird. Dessen zweiter Eingang wird
mit der von einem Dreieckgenerator 16 bereitgestellten Dreieckspannung U
D beaufschlagt. Sein Ausgang ist mit dem Steuereingang des Schalters T1 verbunden.
Durch Variation des Werts
LEDsoll lässt sich der Mittelwert
LED des Stroms durch den LED-Strang variieren und damit die Helligkeit des von den LEDs
D1 bis D4 abgegebenen Lichts verändern, d.h. dimmen.
[0003] Diese Ansteuerschaltung weist mehrere Nachteile auf: Beispielsweise bei Betrieb eines
derartigen LED-Strangs in einem Kraftfahrzeug ist damit zu rechnen, dass die Versorgungsspannung
U
V, beispielsweise die Bordspannung, nicht konstant ist. Die Abstimmung der Anzahl der
LEDs des LED-Strangs ist deshalb so zu wählen, dass selbst bei minimaler Versorgungsspannung
U
V ein ausreichend hoher Strom durch den LED-Strang erzielt werden kann, um eine gewisse
Mindesthelligkeit der LEDs sicherzustellen. Wird nun zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads
immer die gesamte Versorgungsspannung an den LED-Strang angelegt, führt eine Erhöhung
der Versorgungsspannung zu einer Erhöhung des den LED-Strang durchfließenden Spitzenstroms,
siehe hierzu die dünn eingezeichneten Verläufe in der mittleren Darstellung von Figur
2. Wenn nun beispielsweise in einem Kraftfahrzeug die Klimaanlage eingeschaltet wird,
kann dieser Spannungssprung zu einer plötzlichen Veränderung der für die Versorgung
des LED-Strangs zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung führen. Bei manchen LEDs,
insbesondere bei InGaN-LEDs, führt ein unterschiedlicher Spitzenstrom jedoch zu einer
Verschiebung der Wellenlänge des von der LED abgegebenen Lichts, was dann störend
wahrgenommen werden kann.
[0004] Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß LEDs einen negativen Temperaturkoeffizienten
von mehreren Millivolt pro Grad Celsius auf. Hierzu wird auf die Darstellung von Figur
2 verwiesen, die in dicken Linien beispielhaft den Spitzenstrom
îLED bei verschiedenen Temperaturen zeigt. Obwohl in allen drei Darstellungen immer derselbe
Mittelwert
LED eingestellt ist, variiert der Spitzenstrom
îLED erheblich. Bei niedrigen Temperaturen, siehe linke Darstellung, ist der Spitzenstrom
sehr viel niedriger als bei höheren Temperaturen, siehe rechte Darstellung. Um zum
selben Mittelwert
LED zu kommen, wird der LED-Strang pulsförmig angesteuert, wobei bei höheren Temperaturen
die Pausen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen größer zu wählen sind. Infolge
des unterschiedlichen Spitzenstroms ändert sich jedoch wiederum in unerwünschter Weise
die Wellenlänge des von den LEDs abgegebenen Lichts.
[0005] Alternativ kann zur Reduzierung der Auswirkungen von Schwankungen der Versorgungsspannung
und der Umgebungstemperatur vorgesehen sein, dem Schaltelement einen Vorwiderstand
vorzuschalten. Dies resultiert jedoch in einem schlechten Wirkungsgrad. Außerdem ist
nachteilig, daß die in dem Vorwiderstand umgesetzte Energie zu einer zusätzlichen
Erhöhung der Umgebungstemperatur führt und damit den negativen Effekt verstärkt.
Darstellung der Erfindung
[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Ansteuerschaltung
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass auch bei Veränderungen der
Versorgungsspannung und der Umgebungstemperatur ein Betrieb des LED-Strangs zur Abgabe
von Licht in gewünschter Helligkeit und gewünschter Farbe bei hohem Wirkungsgrad sichergestellt
werden kann.
[0007] Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren
entsprechend weiterzubilden.
[0008] Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Ansteuerschaltung mit den Merkmalen
von Patentanspruch 1. Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit
den Merkmalen von Patentanspruch 14.
[0009] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die obigen Aufgaben in idealer
Weise gelöst werden können, wenn der Spitzenwert
îLED des den LED-Strang durchfließenden Stroms ermittelt wird und die dem LED-Strang bereitgestellte
Versorgungsspannung in entsprechender Weise geregelt wird. Dadurch, dass der Mittelwert
LED des den LED-Strang durchfließenden Stroms geregelt wird, wird die Helligkeit des
von den LEDs abgegebenen Lichts einstellbar konstant gehalten. Durch Messung und Regelung
des den LED-Strang durchfließenden Spitzenstroms
îLED wird die Farbe des von dem LED-Strang abgegebenen Lichts einstellbar konstant gehalten.
Wenn dann noch die Versorgungsspannung, die zu dem LED-Strang bereitgestellt wird,
so ausgelegt wird, dass möglichst wenig Energie in Wärme umgesetzt wird, lässt sich
ein besonders hoher Wirkungsgrad realisieren. Auch lassen sich hierdurch LED-Stränge
mit einer beliebigen Anzahl von LEDs realisieren, d.h. bei Vorgabe des Spitzenstroms
ist es gleichgültig, ob die Ansteuerschaltung zum Betrieb eines LED-Strangs mit 5
oder 10 LEDs verwendet wird.
[0010] Bei LEDs, insbesondere bei InGaN-LEDs, lässt sich durch die vorliegende Erfindung
die Farbe des von den LEDs abgegebenen Lichts gezielt einstellen.
[0011] Weiterhin läßt sich durch die Regelung des LED-Spitzenstroms
îLED auf einen vorgebbaren Wert sicherstellen, dass die Impulsbelastbarkeit der LEDs niemals
überschritten wird.
[0012] Bevorzugt wird der mindestens eine LED-Strang getaktet betrieben, wobei der Mittelwert
des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms insbesondere durch Pulsweitenmodulation
eingestellt wird. Hierbei übernimmt das Auge die Funktion des Integrators. Solange
die LEDs immer mit der gleichen Spitzenstromstärke betrieben werden, ändert sich lediglich
die Helligkeit des von den LEDs abgegebenen Lichts, nicht jedoch dessen Farbe.
[0013] Bevorzugt ist der zweite Regelkreis im Hinblick auf einen besonders hohen Wirkungsgrad
ausgelegt, die Versorgungsspannung der Strangspannung des mindestens einen LED-Strangs
anzupassen.
[0014] Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der erste und der zweite Regelkreis ausgelegt,
die Ist-Werte für Mittelwert und Spitzenwert nur für einen ersten LED-Strang zu bestimmen,
wobei ein mindestens zweiter LED-Strang entsprechend dem für den ersten LED-Strang
ermittelten Ist-Werten betrieben wird. Durch diese Maßnahme lassen sich aus mehreren
LED-Strängen bestehende LED-Arrays unter Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile
ansteuern, wobei die beiden Regelkreise jedoch nur einmal ausgeführt sind.
[0015] Der erste Regelkreis kann einen ersten Komparator aufweisen, mit dem der Ist-Wert
des Mittelwerts des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms mit einem
vorgebbaren Sollwert verglichen wird, wobei das Ausgangssignal des ersten Komparators
an den Eingang eines zweiten Komparators gekoppelt wird, dessen zweiter Eingang mit
einem Dreiecksignal beaufschlagt wird, wobei das Ausgangssignal des zweiten Komparators
an den mindestens einen Schalter gekoppelt wird.
[0016] Der zweite Regelkreis kann einen dritten Komparator aufweisen, mit dem der Ist-Wert
des Spitzenwerts des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms mit einem
vorgebbaren Sollwert verglichen wird, wobei das Ausgangssignal des dritten Komparators
an den ersten Eingang eines vierten Komparators gekoppelt wird, dessen zweiter Eingang
mit einem Dreiecksignal beaufschlagt wird, wobei das Ausgangssignal des vierten Komparators
an einen Spanungswandler gekoppelt wird.
[0017] Zum Zwecke des Dimmens kann vorgesehen sein, dass der Mittelwert des den mindestens
einen LED-Strang durchfließenden Stroms von einer Bedienperson veränderbar ist. Ebenso
kann zum Zwecke der Einstellung der Wellenlänge des von dem LED-Strang abgegebenen
Lichts der Spitzenwert des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms
von einer Bedienperson veränderbar ausgelegt sein.
[0018] Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der zweite Regelkreis einen Spitzenwertdetektor,
für den den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Strom, wobei ein Spitzenwert
für den den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Strom vorgebbar ist und der
zweite Regelkreis ausgelegt ist, eine Versorgungsspannung bereitzustellen, so dass
der vorgebbare Spitzenwert erzielt wird. Dadurch findet eine optimale Anpassung der
Versorgungsspannung U
V an die LED-Strangspannung U
St statt.
[0019] Bevorzugt umfasst der zweite Regelkreis einen DC/DC-Wandler, dessen Ausgangsspannung
an den mindestens einen Versorgungsanschluss gekoppelt ist. Bevorzugt ist der DC/DC-Wandler
insbesondere als Aufwärtswandler, Abwärtswandler oder Sperrwandler ausgeführt. Durch
die Verwendung eines DC/DC-Wandlers lässt sich in dem System auf einfache Weise eine
gewünschte Versorgungsspannung Uv an den LED-Strang bereitstellen, so dass die oben
genannten Vorteile realisiert werden können.
[0020] Bevorzugt ist seriell zum Ausgang des zweiten Regelkreises eine Induktivität angeordnet.
Durch diese Maßnahme werden steile Anstiegs- und Abfallflanken bei Taktsignalen, wie
dies bei der aus dem Stand der Technik bekannten, in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung
der Fall wäre, vermieden. Dadurch werden EMV-Probleme reduziert, was insbesondere
bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung im Kraftfahrzeugbereich von
großer Bedeutung ist.
[0021] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Beschreibung der Zeichnungen
[0022] Im Nachfolgenden wird nunmehr unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
näher beschrieben. Es stellen dar:
- Figur 1
- eine aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuerschaltung für einen LED-Strang;
- Figur 2
- drei Diagramme zur Erläuterung der Abhängigkeit des den LED-Strang durchfließenden
Spitzenstroms von der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannung; und
- Figur 3
- in schematischer Darstellungsweise den Aufbau einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0023] Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung, wobei der Schaltungsbestandteil
in der rechten Hälfte von Figur 3 im Wesentlichen der in Figur 1 dargestellten Ansteuerschaltung
entspricht. Erfindungsgemäß wird die am Widerstand R
Sh abfallende Spannung U
Sh einem Spitzenwertdetektor 18 zugeführt, dessen Ausgangssignal mit dem tatsächlichen
Spitzenwert
îLEDist korreliert ist und einem Komparator 20 zugerührt wird. Am anderen Eingang des Komparators
20 liegt der einstellbare Spitzenwert
îLEDsoll an. Eine der Differenz zwischen
îLEDsoll und
îLEDist entsprechende Spannung U
Regel2 wird einem weiteren Komparator 22 zugeführt, dessen anderer Eingang mit einer Dreieckspannung
U
D2 angesteuert wird. Das Ausgangssignal des Komparators 22 liegt am Steuereingang eines
Schalters T2 an, der mit der Versorgungsspannung U
V verbunden ist. Zwischen dem Ausgang des Schalters T2 und Masse ist eine Diode D in
Sperrrichtung angeordnet. Zwischen dem Ausgang des Schalters T2 und dem Versorgungsspannungsanschluss
des Schalters T1 ist seriell eine Induktivität L angeordnet. Der T1-seitige Anschluss
der Induktivität L ist über einen Kondensator C mit Masse verbunden. Die vom Kondensator
C bereitgestellte Spannung U
A ist bevorzugt so gewählt, dass sie im Wesentlichen gleich der Strangspannung U
St ist.
[0024] Durch den Komparator 22, den Schalter T2 sowie die Diode D und den Dreieckgenerator
21, der die Spannung U
D2 bereitstellt, wird vorliegend ein Abwärtswandler realisiert. Selbstverständlich können
auch andere Arten von Wandlern, insbesondere DC/DC-Wandlem, je nach Applikation an
dieser Stelle der Schaltung vorhanden sein.
[0025] Die Oszillatorfrequenz des Dreieckgenerators 16 ist im Hinblick auf eine gute Regelbarkeit
der Spannung U
A bevorzugt wesentlich kleiner zu wählen als die Oszillatorfrequenz des Dreieckgenerators
21. Wie für einen Fachmann offensichtlich kann der Integrator 10 anders als skizziert,
das heißt anders als durch ein RC-Glied, realisiert sein. Ebenso kann der Spitzenwertdetektor
18 anders realisiert sein als durch eine Dioden-Kondensator-Kombination.
1. Ansteuerschaltung für mindestens einen LED-Strang (Dl bis D4), wobei seriell zu jedem
LED-Strang ein Schalter (T1) angeordnet ist und jeder LED-Strang einen Versorgungsanschluss
aufweist, über den er mit einer Versorgungsspannung verbindbar ist, wobei jeder Schalter
(T1) derart ansteuerbar ist, dass ein Stromfluss in dem zugehörigen LED-Strang ermöglicht
wird, mit
einem ersten Regelkreis, der ausgelegt ist, den Schalter (T1) des mindestens einen
LED-Strangs derart anzusteuern, dass ein einstellbarer Mittelwert (
LEDsoll) des den LED-Strang durchfließenden Stroms (
iLED) erzielt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ansteuerschaltung weiterhin umfasst:
einen zweiten Regelkreis, der ausgelegt ist, dem mindestens einen LED-Strang (D1 bis
D4) eine Versorgungsspannung (U
A) bereitzustellen, in Abhängigkeit des Spitzenwerts (
îLED) des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms (
iLED).
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Regelkreis einen Spitzenwertdetektor (18) für den den mindestens einen
LED-Strang durchfließenden Strom (i LED) umfasst, wobei ein Spitzenwert (îLEDsoll) für den den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Strom vorgebbar ist und
der zweite Regelkreis ausgelegt ist, eine Versorgungsspannung (UA) bereitzustellen, so dass der vorgebbare Spitzenwert (î LEDsoll) erzielt wird.
3. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet
dass der zweite Regelkreis einen DC/DC-Wandler (21, 22, T2, D) umfasst, dessen Ausgangsspannung
(UA) an den mindestens einen Versorgungsanschluss gekoppelt ist.
4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der DC/DC-Wandler (22, T2, D) insbesondere als Aufwärtswandler, Abwärtswandler oder
Sperrwandler ausgeführt ist.
5. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass seriell zum Ausgang des zweiten Regelkreises eine Induktivität (L) angeordnet ist.
6. Ansteucrschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens eine LED-Strang getaktet betrieben wird.
7. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mittelwert (
LED) des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms durch Pulsweitenmodulation
eingestellt wird.
8. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Regelkreis ausgelegt ist, die Versorgungsspannung (UA) der Strangspannung (USt) des mindestens einen LED-Strangs anzupassen.
9. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste und der zweite Regelkreis ausgelegt sind, die Istwerte für Mittelwert (
LEDist) und Spitzenwert (
îLEDist) nur für einen ersten LED-Strang zu bestimmen, wobei ein mindestens zweiter LED-Strang
entsprechend der für den ersten LED-Strang ermittelten Istwerte (
LEDist,
îLEDist) betrieben wird.
10. Anstcuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet
dass der erste Regelkreis einen ersten Komparator (12) aufweist, mit dem der Istwert (
LEDist) des Mittelwerts des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms (
iLED) mit einem vorgebbaren Sollwert (
LEDsoll) verglichen wird, wobei das Ausgangssignal (U
Regel) des ersten Komparators (12) an den ersten Eingang eines zweiten Komparators (14)
gekoppelt wird, dessen zweiter Eingang mit einem Dreiecksignal (U
D) beaufsehlagt wird, wobei das Ausgangssignal des zweiten Komparators (14) an den
mindestens einen Schalter (T1) gekoppelt wird.
11. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Regelkreis einen dritten Komparator (20) aufweist, mit dem der Istwert
(îLEDist) des Spitzenwerts des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms (i LED) mit einem vorgebbaren Sollwert (îLEDsoll) verglichen wird, wobei das Ausgangssignal des dritten Komparators (20) an den ersten
Eingang eines vierten Komparators (22) gekoppelt wird, dessen zweiter Eingang mit
einem Dreiecksignal (UD2) beaufschlagt wird, wobei das Ausgangssignal des vierten Komparators (22) an den
DC/DC-Wandler gekoppelt wird.
12. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mittelwert (
LEDssoll) des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms zum Zwecke des Dimmens
von einer Bedienperson veränderbar ist.
13. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Spitzcnwert (îLEDsoll) des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms zum Zwecke der Einstellung
der Wellenlänge des von dem LED-Strang abgegebenen Lichts von einer Bedienperson veränderbar
ist.
14. Verfahren zum Betreiben mindestens eines LED-Strangs (D1 bis D4), wobei seriell zu
jedem LED-Strang ein Schalter (T1) angeordnet ist und jeder LED-Strang einen Versorgungsanschluss
(U
V) aufweist, über den er mit einer Versorgungsspannung verbindbar ist, wobei jeder
Schalter (T1) derart ansteuerbar ist, dass ein Stromfluss in dem zugehörigen LED-Strang
ermöglicht wird, folgende Schritte umfassend:
a) Ermitteln des Mittelwerts (

LEDist) des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms (i LED);
b) Ansteuern des Schalters (T1) des mindestens einen LED-Strangs derart, dass ein
einstellbarer Mittelwert (

LEDsoll) des den LED-Strangs durchfließenden Stroms (i LED) erzielt wird;
dadurch gekennzeichnet,
dass es weiterhin folgende Schritte umfasst:
c) Ermitteln des Spitzeriwerts (îLEDist) des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms (i LED);
d) Bereitstellen einer Versorgungsspannung (UA) an den mindestens einen LED-Strang in Abhängigkeit des Spitzenwerts (îLEDist) des den mindestens einen LED-Strang durchfließenden Stroms (iLED).