EP3426007B1 - Vehicle lighting device with power control - Google Patents
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- EP3426007B1 EP3426007B1 EP18182482.2A EP18182482A EP3426007B1 EP 3426007 B1 EP3426007 B1 EP 3426007B1 EP 18182482 A EP18182482 A EP 18182482A EP 3426007 B1 EP3426007 B1 EP 3426007B1
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- H05B45/56—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits involving measures to prevent abnormal temperature of the LEDs
Definitions
- the invention relates to a motor vehicle lighting device according to the preamble of claim 1.
- the quadratic influence of the voltage for the power calculation means that with an overvoltage of 25%, the lighting equipment is operated with an effective power that can be three times the nominal connected load of the LED.
- the LED strips which are equipped with LEDs and series resistors and are operated with an applied voltage of 12V with an output of 100%, the output increases when the end-of-charge voltage of 14.4V and thus an overvoltage of 20% is applied more than 200%.
- the series resistors are exposed to loads that lead to their destruction.
- the effects of this significantly increased effective output consist firstly in increased heat emission, which, depending on the installation situation, should be avoided from the point of view of the risk of fire.
- the service life of the affected LED is significantly reduced.
- the practical useful life of the lighting device which is much shorter than the lifetime, can be significantly reduced.
- the length of time during which the lighting device emits a light that can be used by the user is referred to as the practical service life.
- the practical service life therefore depends for example, from the state of charge of a battery, with which the lighting device is operated.
- LED illuminants In practice, however, the problem often arises that it is not the LEDs themselves that are to be operated, but so-called LED illuminants. LEDs on the one hand and LED illuminants on the other hand for operation with constant voltages differ in that the LED illuminants have an integrated constant current source. In most cases, this is realized by a simple series resistor and the formation of LED groups in a series circuit. However, the constant current generated in this way is only maintained if the current-limiting series resistor and the LED group are operated at a constant voltage. In the normal case, i.e. in the case of an application as a fixed installation that is connected to the public electricity or voltage network, a constant voltage power supply ensures the supply with a constant voltage.
- a lighting device which can also be used in a motor vehicle.
- This publication also provides that the LED is connected directly and not, for example, an independent LED light source with its own current limitation - ie an LED with a series resistor - is operated.
- This publication specifies an efficiency of the LEDs in such a way that about 40 to 80% of the energy supplied is converted into heat, with the heat being able to permanently damage the LED.
- a lighting device for a flashlight is known. Since the flashlight is powered by a battery, if necessary with a rechargeable battery or accumulator, there is no problem of overvoltage occurring during operation, as can occur in the automotive sector if the vehicle electrical system is charged with a higher than the Nominal voltage of 12V is operated, for example with the end-of-charge voltage of 14.4 V, which is provided for charging the starter battery.
- the invention is based on the object of improving a generic motor vehicle lighting device in such a way that it enables operation with the desired power even when an overvoltage is present.
- the invention proposes connecting an electronic overvoltage protection circuit, referred to for short as a circuit, upstream of the LED for power regulation.
- the effective power of the lighting device is regulated by means of the circuit in that an undesired power input into the LED light is prevented and the power input is rather limited to the desired target value. At the same time, this reduces the energy requirement of the lighting device compared to operation without the proposed circuit.
- the actual voltage applied to the lighting device is not changed in the process, so that a particularly economical circuit can be used.
- the voltage present there can be determined and taken into account for each LED light.
- the circuit effects the power regulation by means of an intermittent modulation.
- the power supply for the LED is therefore alternately switched on and off at intervals, so that the LED is also switched on and off alternately accordingly.
- the human observer Similar to what is known from the leading edge or trailing edge for dimming classic light bulbs, the human observer has a certain perception of brightness depending on the amplitude of the voltage and the duty cycle of each pulse, although the optical perception of a constantly shining lighting device is retained can if the on and off cycles take place with a physiologically sufficiently high frequency. Since such an intermittent modulation for dimming the LED light is provided anyway, ie for influencing its brightness control, the present proposal can be implemented with comparatively simple structural means and economically.
- the actual voltage actually present is first detected by means of the circuit provided according to the proposal.
- the duty cycle of the LED is reduced.
- this voltage supply can be mentally divided into seamlessly lined up, equally long intervals of a certain duration, e.g. B. 50 or 100 intervals per second. Each of these intervals can be divided into two different switching states, namely a switch-on phase and a switch-off phase.
- the switch-on phase the actual voltage remains unchanged, and in the switch-off phase the voltage has the value zero. Accordingly, if the voltage is constant, the switch-off phase has a duration of zero. If an overvoltage occurs, the switch-off phase is lengthened to a value greater than zero and the switch-on phase is shortened accordingly by means of the circuit.
- the circuit can therefore advantageously take into account a correspondingly large number of intervals per second, that is to say switch a correspondingly large number of on and off phases per second. It is known from the field of film projection that the impression of uninterrupted, fluid movement can already be achieved at frequencies below 30 Hz.
- the switching frequency can therefore advantageously also be correspondingly high. In order to reliably exclude the unpleasant perception of flickering, in particular more than 100 intervals per second can be provided, for example 200 to 700 intervals.
- the proposed circuit can be used not only in the above-mentioned continuous operation of the LED with a constantly applied supply voltage, but also together with a dimmer.
- a frequency-based dimmer can be used in a manner known per se, which alternately generates on and off phases.
- the duration of the switch-on phases is reduced when overvoltages occur, so that in this case too, based on a target switch-on period in operation with the target voltage, the actual voltage that actually occurs results in a correspondingly shorter actual switch-on period leads.
- the quadratic influence of the voltage for the power calculation is opposed to the purely linear influence of the shortened switch-on phase.
- the effects of an overvoltage on the LEDs on the one hand and the ballast resistors of the lighting device on the other are also different, so that an exact calculation would require a comparatively complex design of the circuit in order to ensure exactly identical power consumption of the lighting device under the actual conditions by means of the circuit , as would otherwise be the case under target conditions.
- the LEDs and the series resistors of the lighting devices can behave differently, so that an exact adjustment of the circuit would be necessary to ensure the identical power consumption mentioned under the actual conditions.
- a first alternative for protecting the LEDs can be the use of a protective circuit in the motor vehicle lighting device by controlling the shortening of the so-called "duty cycles" or switch-on duration in the switch-on and switch-off cycles with sufficiently good accuracy according to the relative overvoltage will.
- a relatively linear correlation between overvoltage and the resulting power increase could be determined empirically in the first tests.
- the circuit shortens the switch-on phase by a fixed factor within an interval when an overvoltage is present, depending on the determined actual voltage that is actually present. This enables a simple, economical construction of the circuit. In this way, the lighting device is not supplied with the same power as when the reference voltage is applied, but it can be ensured that the negative effects of the overvoltage are significantly reduced or even avoided to an extent that is relevant in practice.
- this factor F is 1, for example, the switch-on phase is shortened by the same amount by which the overvoltage exceeds the intended voltage.
- the switch-on phase is shortened by 10% compared to the intended target switch-on time of the LED, so that the product of voltage and switch-on time results in the same value as the product of the non-reduced switch-on time and the target voltage .
- another factor can be taken into account in the circuit. For example, a factor of 3 shortens the switch-on phase by 15% when there is a 5% overvoltage, and shortens the switch-on phase by 60% when there is a 20% overvoltage, to just 40% of its target duration.
- the drawing shows a diagram in which an electrical voltage U is plotted against time t, ie the voltage U that can be applied to an LED is plotted in the vertical direction and the time t is plotted in the horizontal direction.
- the LED is not operated constantly, but rather at intervals, namely by means of a dimmer, which enables the brightness of the LED to be influenced intermittently in the manner of voltage modulation.
- the switch-on phase at target voltage U S is a period of time that is identified as target duration D S and runs from a switch-on time t 1 des first interval to an end time t s lasts.
- a switch-off phase is provided after this target duration D S has elapsed. This lasts up to a point in time t 2 , at which the first interval ends and the second interval begins, in which the connected LED is switched on again.
- a circuit that can be referred to as an overvoltage protection circuit for power control is used to detect the actual voltage U i and to modulate the switch-on phases in such a way that the connected LED can still be operated with approximately the desired power, and that in any case, operation with an unacceptably high power is avoided.
- the actual voltage U i is not changed, but the LED is operated with this overvoltage.
- the switch-on phase is reduced within an interval from the target value D S to an actual duration D i , so that the switch-on phase from time t 1 at the beginning of the interval only ends at the actual end time t i instead of up to the actually intended end Time t S lasts.
- the circuit provided according to the proposal can also be designed in such a way that another factor is used, or that an additional correction factor is included in the calculation of the actual duration D i : for example if the brightness of the LED does not change linearly with the applied voltage developed, the mentioned correction factor can ensure that the LED is operated with the desired brightness.
- the actual duration D i can be further shortened by means of such correction factors than was described with reference to the exemplary embodiment, so that the positive effects of the circuit are particularly noticeable.
- Standard LED strips available on the market are designed to be operated at a constant voltage. Because the amount of light emitted by an LED depends solely on the current, it is necessary to keep this current constant. If the connection voltage is constant, a constant current must be ensured using a series resistor. This must be ensured when operating with power packs, e.g. in building installations. Here, due to the line resistance caused by longer building cabling, the desired connection voltage is often undercut and the maximum permissible LED output or brightness is not achieved. But the operation in the car looks different. On-board voltages of 10-20% above the nominal voltage of 12V are even the norm here. What hardly anyone has taken into account is that this overvoltage drastically increases the performance of the system in LEDs with a series resistor. Depending on the LED quality, this can lead to up to 200% of the nominal power at 20% overvoltage. The brightness is not even doubled, but the series resistor contributes significantly to the heating.
- the best-known method of preventing such negative effects is the use of constant current sources. These are precisely matched to the LEDs used or to the application and are either connected externally or built together with the LED. The latter leads to increased costs. Due to the low board voltage of 12V, the former is only suitable for a maximum of 3 (white) LEDs in series. In any case, the connected LED power or the LED current must be known in advance so that the correct LED power can be set.
- a motor vehicle lighting device designed according to the invention aims to avoid overheating of the LED lights in the event of changing and increased on-board voltages.
- the first desired side effect is keeping the brightness constant. This is achieved because the human eye integrates the brightness of a light source over perception, much like a television picture. People knows that a television picture shows frames in succession, but these are still perceived as flowing movements. In the present case, a technique is used that is also used for dimming LEDs. The functional connection between on-board voltage and the resulting connected load has been determined here so that their influence can be compensated.
- Limiting the output power in the case of excessive voltages can also be done with a constant current source, but this always requires knowledge or a commitment to a specific nominal power. According to the invention, on the other hand, no such definition is required here and it is automatically limited to the currently connected LED power over the entire power range. Even different constant voltage LED lights connected in parallel can be limited in their respective individual output. In addition, overvoltage protection is automatically integrated LEDs above e.g. adjustable 16V on-board (over) voltage completely switched off and thus safely protected.
- the controller can be used on 12V or 24V systems and can be operated with an input voltage of up to 30V.
- a separate protection circuit becomes active, which protects the controller itself. However, only for a limited time of a few minutes.
- the system is designed to be self-resetting so that no user intervention on the control is necessary. If the voltage falls below an adjustable threshold, the function is automatically reactivated.
- a constant voltage or a constant current is required. If the voltage is constant, the desired operating state can be established by suitably selecting a (constant) series resistor.
- the current determines the performance, which is why this must be known in advance so that a defined working area can be established. Universal use is not possible because the power source has to be matched to the LEDs.
- the concept according to the invention avoids these two disadvantages because it works independently of the actual connected power. Simply measuring the difference between the actual and target voltage is sufficient to prevent load-independent power limitation and thus excessive heating of the LEDs. For this purpose, a functional relationship between overvoltage and power consumption was determined. This functional relationship is used in an LED controller according to the invention in order to keep the power consumption of the LEDs with a series resistor approximately constant despite overvoltage.
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- Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a motor vehicle lighting device according to the preamble of
Gattungsgemäße Kfz-Beleuchtungseinrichtungen sind aus der Praxis bekannt.Generic motor vehicle lighting devices are known from practice.
Außerhalb des Kfz-Bereichs ist es bekannt, LEDs an einer Konstantstromquelle zu betreiben, oder an einer Konstantspannungsquelle von beispielsweise 12V. Netzteile stellen die Einhaltung der gewünschten Strom- oder Spannungswerte sicher. Im Kfz-Bereich geht man anscheinend bei der Installation bekannter, gattungsgemäßer Beleuchtungseinrichtungen häufig davon aus, dass eine bestimmte Soll-Spannung von beispielsweise 12V mit einer ausreichend geringen Schwankungsbreite anliegt, um eine in der Beleuchtungseinrichtung vorgesehene LED im Konstantspannungsbetrieb betreiben zu können. Die Angabe von 12V, auf die auch in der weiteren vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, ist dabei rein beispielhaft und steht stellvertretend für die jeweils vorgesehene Bordspannung, die z. B. auch 24V, 48V oder auch andere Spannungswerte betragen kann. Aus Kostengründen werden die im Kfz-Bereich verwendeten LEDs mit entsprechend an die vorgesehene Bordspannung angepassten Vorwiderständen versehen, wie dies auch für den Betrieb an Konstantspannungs-Netzteilen üblich ist.Outside the automotive field, it is known to operate LEDs from a constant current source or from a constant voltage source of 12V, for example. Power supplies ensure compliance with the desired current or voltage values. In the automotive sector, when known, generic lighting devices are installed, it is apparently often assumed that a specific target voltage of, for example, 12V is present with a sufficiently small fluctuation range in order to be able to operate an LED provided in the lighting device in constant voltage mode. The specification of 12V, which is also referred to in the rest of this description, is purely an example and represents the respective on-board voltage that is provided, e.g. B. can also be 24V, 48V or other voltage values. For cost reasons, the LEDs used in the automotive sector are provided with series resistors that are adapted to the on-board voltage provided, as is also usual for operation with constant-voltage power supplies.
Mit diesem in der Praxis üblichen Betrieb von LED-basierten Beleuchtungseinrichtungen im Kfz-Bereich sind allerdings überraschende Nachteile verbunden: Tatsächlich kann man im Kfz-Bereich nicht davon ausgehen, dass die Soll-Spannung von 12V mit einer ausreichend kleinen Schwankungsbreite, wie bei einem Konstantspannungs-Netzteil, eingehalten wird. Bei genauerer Betrachtung stellt sich heraus, dass im Vergleich zu der Soll-Spannung von beispielsweise 12 V die Spannungsversorgung für die LEDs häufig oberhalb dieser Soll-Spannung liegt. Die Ladeschlussspannung beträgt nämlich beispielsweise 14,4 V, so dass in der Praxis die LEDs häufig mit einer Ist-Spannung von oberhalb 12 V betrieben werden, nämlich bis hin zu einer Ist-Spannung von 14,4 V, was einer Überspannung von 20 % entspricht.However, surprising disadvantages are associated with this operation of LED-based lighting devices in the motor vehicle sector, which is common in practice: In fact, in the motor vehicle sector, one can do not assume that the target voltage of 12V will be maintained with a sufficiently small fluctuation range, as with a constant voltage power supply. A closer look reveals that compared to the target voltage of 12 V, for example, the power supply for the LEDs is often above this target voltage. The end-of-charge voltage is 14.4 V, for example, so that in practice the LEDs are often operated with an actual voltage of more than 12 V, namely up to an actual voltage of 14.4 V, which corresponds to an overvoltage of 20%. is equivalent to.
Da mit der Spannung auch der Strom ansteigt, ergibt sich aufgrund des quadratischen Einflusses der Spannung für die Leistungsberechnung, dass bei einer Überspannung von 25 % die Beleuchtungseinrichtungen mit Effektivleistungen betrieben werden, die das Dreifache des Nennanschlusswertes der LED betragen können. Bei handelsüblichen LED-Streifen, die mit LEDs und Vorwiderständen bestückt sind und bei einer anliegenden Spannung von 12V mit einer Leistung von 100% betrieben werden, steigt, wenn die Ladeschlussspannung von 14,4V und somit eine Überspannung von 20% anliegt, die Leistung auf mehr als 200%. Insbesondere die Vorwiderstände werden dabei Belastungen ausgesetzt, die zu ihrer Zerstörung führen.Since the current also increases with the voltage, the quadratic influence of the voltage for the power calculation means that with an overvoltage of 25%, the lighting equipment is operated with an effective power that can be three times the nominal connected load of the LED. With commercially available LED strips, which are equipped with LEDs and series resistors and are operated with an applied voltage of 12V with an output of 100%, the output increases when the end-of-charge voltage of 14.4V and thus an overvoltage of 20% is applied more than 200%. In particular, the series resistors are exposed to loads that lead to their destruction.
Die Auswirkungen dieser deutlich erhöhten Effektivleistung bestehen erstens in einer erhöhten Wärmeabgabe, die je nach Einbausituation unter dem Gesichtspunkt der Brandgefahr zu vermeiden ist. Zweitens wird die Lebensdauer der betroffenen LED erheblich reduziert. Drittens kann zusätzlich zu der reduzierten Lebensdauer der LED die - im Vergleich zu der Lebensdauer sehr viel kürzere - praktische Nutzungsdauer der Beleuchtungseinrichtung erheblich verkürzt werden. Als praktische Nutzungsdauer wird dabei die Zeitdauer bezeichnet, während welcher die Beleuchtungseinrichtung ein für den Anwender verwertbares Licht abgibt. Die praktische Nutzungsdauer hängt daher beispielsweise vom Ladezustand eines Akkus ab, mit welchem die Beleuchtungseinrichtung betrieben wird. Während bei motorisierten Fahrzeugen, die mit einer Verbrennungskraftmaschine betrieben werden, gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor üblicherweise auch ein Generator betrieben wird, sind bei Elektrofahrzeugen die Antriebsmotoren der Fahrzeuge ebenso als Verbraucher anzusehen wie die Beleuchtungseinrichtung des Fahrzeugs. Und bei motorlosen Fahrzeugen, wie beispielsweise Anhängern, ist beispielsweise im Campingbereich eine autarke elektrische Energieversorgung in Form einer Spannungsquelle vorgesehen, beispielsweise eines Akkus. Der nächste Ladevorgang erfolgt beispielsweise erst dann wieder, wenn der Anhänger an ein Zugfahrzeug und dessen Bordnetz angeschlossen wird. Bis zu diesem nächsten Ladevorgang kann durch die erhöhte Leistungsaufnahme die praktische Nutzungsdauer der Beleuchtungseinrichtungen unerwünscht verkürzt werden.The effects of this significantly increased effective output consist firstly in increased heat emission, which, depending on the installation situation, should be avoided from the point of view of the risk of fire. Secondly, the service life of the affected LED is significantly reduced. Third, in addition to the reduced lifetime of the LED, the practical useful life of the lighting device, which is much shorter than the lifetime, can be significantly reduced. The length of time during which the lighting device emits a light that can be used by the user is referred to as the practical service life. The practical service life therefore depends for example, from the state of charge of a battery, with which the lighting device is operated. While in motorized vehicles that are operated with an internal combustion engine, a generator is usually also operated together with the internal combustion engine, in electric vehicles the drive motors of the vehicles are to be regarded as consumers, just like the lighting equipment of the vehicle. And in the case of motorless vehicles, such as trailers, a self-sufficient electrical energy supply in the form of a voltage source, for example a rechargeable battery, is provided, for example in the camping area. The next charging process only takes place, for example, when the trailer is connected to a towing vehicle and its on-board network. Until this next charging process, the practical service life of the lighting devices can be undesirably shortened due to the increased power consumption.
Aus der
In der Praxis stellt sich jedoch häufig die Problematik, dass nicht die LEDs selbst, sondern so genannte LED-Leuchtmittel betrieben werden sollen. LEDs einerseits und LED-Leuchtmittel andererseits für einen Betrieb an Konstantspannungen unterscheiden sich darin, dass die LED-Leuchtmittel eine integrierte Konstantstromquelle aufweisen. In den allermeisten Fällen ist dies durch einen einfachen Vorwiderstand und die Bildung von LED-Gruppen in einer Reihenschaltung verwirklicht. Der so erzeugte Konstantstrom wird allerdings nur dann eingehalten, wenn der strombegrenzende Vorwiderstand und die LED-Gruppe an einer konstanten Spannung betrieben werden. Im Normalfall, also bei einer Anwendung als Fest-Installation, die an das öffentliche Strom- bzw. Spannungsnetz angeschlossen ist, stellt ein Konstantspannungs-Netzteil die Versorgung mit einer konstanten Spannung sicher. Gerade das ist jedoch bei einer mobilen Installation wie z. B. in einem Kfz nicht der Fall, so dass, wie bereits erläutert, die Leistungsaufnahme im LED-Leuchtmittel auf 200% oder mehr ansteigen kann, abhängig von der jeweils anliegenden Überspannung.In practice, however, the problem often arises that it is not the LEDs themselves that are to be operated, but so-called LED illuminants. LEDs on the one hand and LED illuminants on the other hand for operation with constant voltages differ in that the LED illuminants have an integrated constant current source. In most cases, this is realized by a simple series resistor and the formation of LED groups in a series circuit. However, the constant current generated in this way is only maintained if the current-limiting series resistor and the LED group are operated at a constant voltage. In the normal case, i.e. in the case of an application as a fixed installation that is connected to the public electricity or voltage network, a constant voltage power supply ensures the supply with a constant voltage. However, this is precisely what happens with a mobile installation such as e.g. This is not the case, for example, in a motor vehicle, so that, as already explained, the power consumption in the LED light source can increase to 200% or more, depending on the overvoltage applied in each case.
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Kfz-Beleuchtungseinrichtung dahingehend zu verbessern, dass diese einen Betrieb mit der gewünschten Leistung auch bei einer anliegenden Überspannung ermöglicht.The invention is based on the object of improving a generic motor vehicle lighting device in such a way that it enables operation with the desired power even when an overvoltage is present.
Diese Aufgabe wird durch eine Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach Patentanspruch 1.This object is achieved by a motor vehicle lighting device according to
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous configurations are described in the dependent claims.
Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, der LED eine kurz als Schaltung bezeichnete elektronische Überspannungs-Schutzschaltung zur Leistungsregelung vorzuschalten. Mittels der Schaltung wird die effektive Leistung der Beleuchtungseinrichtung geregelt, indem ein unerwünschter Leistungseintrag in die LED-Leuchte verhindert und vielmehr der Leistungseintrag auf den gewünschten Soll-Wert begrenzt wird. Gleichzeitig wird dadurch der Energiebedarf der Beleuchtungseinrichtung gegenüber einem Betrieb ohne die vorschlagsgemäße Schaltung verringert. Die Ist-Spannung, die der Beleuchtungseinrichtung anliegt, wird dabei nicht verändert, so dass eine besonders wirtschaftliche Schaltung verwendet werden kann.In other words, the invention proposes connecting an electronic overvoltage protection circuit, referred to for short as a circuit, upstream of the LED for power regulation. The effective power of the lighting device is regulated by means of the circuit in that an undesired power input into the LED light is prevented and the power input is rather limited to the desired target value. At the same time, this reduces the energy requirement of the lighting device compared to operation without the proposed circuit. The actual voltage applied to the lighting device is not changed in the process, so that a particularly economical circuit can be used.
Zufällige Einflüsse wie z. B. große Kabellängen oder geringe Kabelquerschnitte, die einen ausreichend großen Abfall der Versorgungsspannung bis zu der an der LED-Leuchte anliegenden Spannung bewirken, können einen zufälligen, nicht geplanten Schutz der LED-Leuchte vor der erwähnten Überspannung bewirken, während eine andere LED-Leuchte am selben Fahrzeug aufgrund einer anderen Einbauposition und dementsprechend geringerer Kabellänge möglicherweise der Überspannung ausgesetzt und mit zu hoher Leistung betrieben wird. Mittels der vorschlagsgemäß vorgesehenen Schaltung kann für jede LED-Leuchte die dort anliegende Spannung ermittelt und berücksichtigt werden.Random influences such as B. long cable lengths or small cable cross-sections, which cause a sufficiently large drop in the supply voltage to the voltage applied to the LED lamp, can cause accidental, unplanned protection of the LED lamp from the mentioned overvoltage while another LED lamp may be exposed to overvoltage and operated with excessive power on the same vehicle due to a different installation position and correspondingly shorter cable length. by means of circuit provided according to the proposal, the voltage present there can be determined and taken into account for each LED light.
Die Schaltung bewirkt die Leistungsregelung mittels einer intermittierenden Modulation. Die Spannungsversorgung für die LED wird also abwechselnd intervallweise ein- und ausgeschaltet, so dass dementsprechend auch die LED abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Ähnlich wie dies vom Phasenanschnitt bzw. - abschnitt zum Dimmen von klassischen Glühbirnen bekannt ist, ergibt sich für den menschlichen Beobachter abhängig von der Amplitude der Spannung und von der Einschaltdauer jedes Pulses eine bestimmte Helligkeitswahrnehmung, wobei jedoch das optische Empfinden einer konstant leuchtenden Beleuchtungseinrichtung beibehalten werden kann, wenn die Ein- und Ausschaltzyklen mit einer physiologisch ausreichend hohen Frequenz erfolgen. Da ohnehin eine solche intermittierende Modulation zum Dimmen der LED-Leuchte vorgesehen ist, also zur Beeinflussung von deren Helligkeitssteuerung, ist der vorliegende Vorschlag konstruktiv mit vergleichsweise einfachen Mitteln und wirtschaftlich zu verwirklichen.The circuit effects the power regulation by means of an intermittent modulation. The power supply for the LED is therefore alternately switched on and off at intervals, so that the LED is also switched on and off alternately accordingly. Similar to what is known from the leading edge or trailing edge for dimming classic light bulbs, the human observer has a certain perception of brightness depending on the amplitude of the voltage and the duty cycle of each pulse, although the optical perception of a constantly shining lighting device is retained can if the on and off cycles take place with a physiologically sufficiently high frequency. Since such an intermittent modulation for dimming the LED light is provided anyway, ie for influencing its brightness control, the present proposal can be implemented with comparatively simple structural means and economically.
Mittels der vorschlagsgemäß vorgesehenen Schaltung wird zunächst die tatsächlich anliegende Ist-Spannung erfasst. Im Falle einer Überspannung im Vergleich zu der Soll-Spannung, beispielsweise der vorgesehenen Bordspannung von 12V, wird die Einschaltdauer der LED reduziert.The actual voltage actually present is first detected by means of the circuit provided according to the proposal. In the event of an overvoltage compared to the target voltage, for example the intended on-board voltage of 12V, the duty cycle of the LED is reduced.
Soll beispielsweise die LED mit konstant durchgängig anliegender Spannung betrieben werden, so kann diese Spannungsversorgung gedanklich in nahtlos aneinander gereihte, gleich lange Intervalle von bestimmter Zeitdauer aufgeteilt werden, z. B. 50 oder 100 Intervalle pro Sekunde. Jedes dieser Intervalle kann gedanklich in zwei unterschiedliche Schaltzustände aufgeteilt werden, nämlich in eine Einschaltphase und eine Ausschaltphase. In der Einschaltphase liegt die Ist-Spannung unverändert an, und in der Ausschaltphase hat die Spannung den Wert Null. Bei konstant anliegender Spannung hat die Ausschaltphase dementsprechend eine Dauer von Null. Tritt eine Überspannung auf, so wird vorschlagsgemäß mittels der Schaltung die Ausschaltphase auf einen Wert größer Null verlängert und die Einschaltphase dementsprechend verkürzt.If, for example, the LED is to be operated with a constantly applied voltage, this voltage supply can be mentally divided into seamlessly lined up, equally long intervals of a certain duration, e.g. B. 50 or 100 intervals per second. Each of these intervals can be divided into two different switching states, namely a switch-on phase and a switch-off phase. In the switch-on phase, the actual voltage remains unchanged, and in the switch-off phase the voltage has the value zero. Accordingly, if the voltage is constant, the switch-off phase has a duration of zero. If an overvoltage occurs, the switch-off phase is lengthened to a value greater than zero and the switch-on phase is shortened accordingly by means of the circuit.
Für den menschlichen Betrachter bleibt bei einer ausreichend hohen Schaltfrequenz der optische Eindruck einer konstant leuchtenden LED auch bei deren intermittierendem Betrieb bestehen. Daher kann die Schaltung vorteilhaft dementsprechend viele Intervalle pro Sekunde berücksichtigen, also dementsprechend viele Ein- und Ausschaltphasen pro Sekunde schalten. Aus dem Bereich der Vorführung von Filmen ist bekannt, dass bereits bei Frequenzen unterhalb 30 Hz der Eindruck einer unterbrechungsfreien, flüssigen Bewegung erzielt werden kann. Vorteilhaft kann daher die Schaltfrequenz ebenfalls dementsprechend hoch liegen. Um die unangenehme Wahrnehmung eines Flimmerns zuverlässig auszuschließen, können insbesondere mehr als 100 Intervalle pro Sekunde vorgesehen sein, beispielsweise 200 bis 700 Intervalle.With a sufficiently high switching frequency, the visual impression of a constantly lit LED remains for the human observer, even during intermittent operation. The circuit can therefore advantageously take into account a correspondingly large number of intervals per second, that is to say switch a correspondingly large number of on and off phases per second. It is known from the field of film projection that the impression of uninterrupted, fluid movement can already be achieved at frequencies below 30 Hz. The switching frequency can therefore advantageously also be correspondingly high. In order to reliably exclude the unpleasant perception of flickering, in particular more than 100 intervals per second can be provided, for example 200 to 700 intervals.
Nicht nur in dem erwähnten Dauerbetrieb der LED mit einer konstant anliegenden Versorgungsspannung kann die vorschlagsgemäße Schaltung Verwendung finden, sondern auch zusammen mit einem Dimmer. In an sich bekannter Weise kann dabei ein frequenzbasierter Dimmer verwendet werden, welcher abwechselnd Ein- und Ausschaltphasen erzeugt. Mittels der vorschlagsgemäßen Schaltung wird beim Auftreten von Überspannungen die Dauer der Einschaltphasen verringert, so dass auch in diesem Fall, bezogen auf eine Soll-Einschaltdauer im Betrieb mit der Soll-Spannung, die demgegenüber tatsächlich auftretende Ist-Spannung zu einer entsprechend kürzeren Ist-Einschaltdauer führt.The proposed circuit can be used not only in the above-mentioned continuous operation of the LED with a constantly applied supply voltage, but also together with a dimmer. A frequency-based dimmer can be used in a manner known per se, which alternately generates on and off phases. By means of the proposed circuit, the duration of the switch-on phases is reduced when overvoltages occur, so that in this case too, based on a target switch-on period in operation with the target voltage, the actual voltage that actually occurs results in a correspondingly shorter actual switch-on period leads.
Dem quadratischen Einfluss der Spannung für die Leistungsberechnung steht der lediglich lineare Einfluss der verkürzten Einschaltphase gegenüber. Die Auswirkungen einer Überspannung auf einerseits die LEDs und auf andererseits die Vorschaltwiderstände der Beleuchtungseinrichtung sind jedoch ebenfalls unterschiedlich, so dass eine exakte Berechnung eine vergleichsweise aufwendige Ausgestaltung der Schaltung erfordern würde, um mittels der Schaltung die exakt identische Leistungsaufnahme der Beleuchtungseinrichtung unter den Ist-Bedingungen sicherzustellen, wie sie ansonsten unter Soll-Bedingungen gegeben wäre. Insbesondere können in Abhängigkeit von der Bauart, vom Hersteller, und gegebenenfalls von den Produktchargen die LEDs und die Vorwiderstände der Beleuchtungseinrichtungen ein unterschiedliches Verhalten aufweisen, so dass eine exakte Anpassung der Schaltung erforderlich wäre, um die erwähnte identische Leistungsaufnahme unter den Ist-Bedingungen sicherzustellen.The quadratic influence of the voltage for the power calculation is opposed to the purely linear influence of the shortened switch-on phase. However, the effects of an overvoltage on the LEDs on the one hand and the ballast resistors of the lighting device on the other are also different, so that an exact calculation would require a comparatively complex design of the circuit in order to ensure exactly identical power consumption of the lighting device under the actual conditions by means of the circuit , as would otherwise be the case under target conditions. In particular, depending on the design, the manufacturer and possibly the product batches, the LEDs and the series resistors of the lighting devices can behave differently, so that an exact adjustment of the circuit would be necessary to ensure the identical power consumption mentioned under the actual conditions.
Insbesondere wenn nicht die absoluten Werte von Überspannung und dem Zuviel an Leistung berücksichtigt werden, sondern wenn mit relativen bzw. prozentualen Werten gerechnet wird, ergibt sich für den Bereich, in welchem die Überspannungen in der Praxis bei Fahrzeugen auftreten, unabhängig von der tatsächlichen Soll-Bordspannung ein annähernd linearer Zusammenhang. Dementsprechend kann eine erste Alternative zum Schutz der LEDs in der Verwendung einer Schutzschaltung in der Kfz-Beleuchtungseinrichtung liegen, indem mit einer ausreichend guten Genauigkeit entsprechend der relativen Überspannung die Verkürzung der so genannten "duty cycles" bzw. Einschaltdauer in den Ein- und Ausschaltzyklen gesteuert werden. Empirisch konnte in ersten Versuchen ein relativ linearer Zusammenhang zwischen Überspannung und resultierendem Leistungsanstieg ermittelt werden. Unabhängig von Leistung, Spannung und Art der LED-Leuchte, in der Praxis häufig in Form eines LED-Streifens, war dabei faktisch ein linearer Zusammenhang zwischen der relativen Überspannung und dem auftretenden relativen Leistungsanstieg zu beobachten, wobei bei den LED-Leuchten die in der Praxis vielfach üblichen, einfachen Vorwiderstände verbaut waren, und keine aktive Regelung.In particular, if the absolute values of overvoltage and excess power are not taken into account, but if calculations are made with relative or percentage values, the range in which overvoltages occur in vehicles in practice, regardless of the actual target On-board voltage an almost linear relationship. Accordingly, a first alternative for protecting the LEDs can be the use of a protective circuit in the motor vehicle lighting device by controlling the shortening of the so-called "duty cycles" or switch-on duration in the switch-on and switch-off cycles with sufficiently good accuracy according to the relative overvoltage will. A relatively linear correlation between overvoltage and the resulting power increase could be determined empirically in the first tests. Regardless of the power, voltage and type of LED light, in practice often in the form of an LED strip, there was actually a linear relationship between the relative overvoltage and the occurring A relative increase in output was observed, with the simple series resistors that are often common in practice being installed in the LED lights and no active control.
Zum Schutz der LEDs ist vorgesehen, dass die Schaltung in Abhängigkeit von der ermittelten, tatsächlich anliegenden Ist-Spannung die Einschaltphase innerhalb eines Intervalls bei einer anliegenden Überspannung um einen festgelegten Faktor verkürzt. Dies ermöglicht einen einfachen, wirtschaftlichen Aufbau der Schaltung. Auf diese Weise wird der Beleuchtungseinrichtung zwar nicht dieselbe Leistung zugeführt wie bei anliegender Soll-Spannung, es kann jedoch sichergestellt werden, dass die negativen Auswirkungen der Überspannung erheblich verringert oder sogar in einem praxisrelevanten Ausmaß vermieden werden.To protect the LEDs, it is provided that the circuit shortens the switch-on phase by a fixed factor within an interval when an overvoltage is present, depending on the determined actual voltage that is actually present. This enables a simple, economical construction of the circuit. In this way, the lighting device is not supplied with the same power as when the reference voltage is applied, but it can be ensured that the negative effects of the overvoltage are significantly reduced or even avoided to an extent that is relevant in practice.
Die Schaltung ist in der Art ausgestaltet, dass sie entsprechend der folgenden Formeln die Überspannung und in Abhängigkeit davon die Ausschaltphase bestimmt:
Darin bezeichnet
- Ui
- die tatsächlich anliegende Ist-Spannung,
- US
- die Soll-Spannung (z. B. des Fahrzeug-Bordnetzes),
- Ü
- das Maß der Überspannung als dimensionsloser Relativwert, bezogen auf die Soll-Spannung,
- DS
- die Soll-Dauer der Einschaltphase,
- Di
- die Ist-Dauer der Einschaltphase, und
- F
- den erwähnten Faktor
- wow
- the actually present actual voltage,
- U.S
- the target voltage (e.g. of the vehicle electrical system),
- Ü
- the degree of overvoltage as a dimensionless relative value, related to the target voltage,
- DS
- the target duration of the switch-on phase,
- Tue
- the actual duration of the switch-on phase, and
- f
- the mentioned factor
Wenn dieser Faktor F beispielsweise 1 ist, wird die Einschaltphase um dasselbe Maß verkürzt, um welches die Überspannung die an sich vorgesehene Soll-Spannung übersteigt. Bei einer Überspannung von 10 % wird folglich die Einschaltphase im Vergleich zu einer an sich vorgesehenen Soll-Einschaltdauer der LED um 10 % verkürzt, so dass das Produkt aus Spannung und Einschaltdauer den gleichen Wert ergibt wie das Produkt aus der nicht reduzierten Einschaltdauer und der Soll-Spannung. Um im Vergleich zu dem genannten Faktor 1 eine stärkere Reduzierung der Leistungsaufnahme zu erreichen und den quadratischen Einfluss der Spannung noch weiter zu kompensieren, kann ein anderer Faktor in der Schaltung berücksichtigt werden. Beispielsweise führt ein Faktor 3 zu einer Verkürzung der Einschaltphase um 15%, wenn eine Überspannung von 5% anliegt, und bei einer Überspannung von 20% zu einer Verkürzung der Einschaltphase um 60% verkürzt, auf lediglich 40% ihrer Soll-Dauer.If this factor F is 1, for example, the switch-on phase is shortened by the same amount by which the overvoltage exceeds the intended voltage. At a With an overvoltage of 10%, the switch-on phase is shortened by 10% compared to the intended target switch-on time of the LED, so that the product of voltage and switch-on time results in the same value as the product of the non-reduced switch-on time and the target voltage . In order to achieve a greater reduction in power consumption compared to the
Der vorliegende Vorschlag wird anhand der rein schematischen Darstellung nachfolgend näher erläutert.The present proposal is explained in more detail below on the basis of the purely schematic representation.
Dabei ist in der Zeichnung ein Diagramm dargestellt, bei welchem eine elektrische Spannung U über der Zeit t aufgetragen ist, also die einer LED anlegbare Spannung U in vertikaler Richtung und der Zeitablauf t in horizontaler Richtung aufgetragen ist.The drawing shows a diagram in which an electrical voltage U is plotted against time t, ie the voltage U that can be applied to an LED is plotted in the vertical direction and the time t is plotted in the horizontal direction.
Im Diagramm ist die theoretisch vorgesehene Soll-Spannung mit US gekennzeichnet, die einen Wert von 12 V aufweist, jedoch in dem dargestellten Beispiel nicht anliegt. Aus diesem Grund ist der Verlauf der Soll-Spannung US gestrichelt eingezeichnet.In the diagram, the theoretically envisaged setpoint voltage is marked with U S , which has a value of 12 V but is not present in the example shown. For this reason, the course of the target voltage U S is drawn in as a broken line.
Zudem ist kein konstanter, sondern ein intervallartiger Betrieb der LED vorgesehen, nämlich mittels eines Dimmers, der intermittierend eine Helligkeitsbeeinflussung der LED in Art einer Spannungsmodulation ermöglicht. Um die LED mit einer bestimmten Leistung - und einer daraus resultierenden, bestimmten wahrnehmbaren Helligkeit - zu betreiben, beträgt die Einschaltphase bei Soll-Spannung US eine Zeitspanne, die als Soll-Dauer DS gekennzeichnet ist und von einem Einschalt-Zeitpunkt t1 des ersten Intervalls bis zu einem End-Zeitpunkt ts dauert.In addition, the LED is not operated constantly, but rather at intervals, namely by means of a dimmer, which enables the brightness of the LED to be influenced intermittently in the manner of voltage modulation. In order to operate the LED with a certain power - and a resulting, certain perceptible brightness - the switch-on phase at target voltage U S is a period of time that is identified as target duration D S and runs from a switch-on time t 1 des first interval to an end time t s lasts.
Nach Ablauf dieser Soll-Dauer DS ist eine Ausschaltphase vorgesehen. Diese dauert bis zu einem Zeitpunkt t2, zu welchem das erste Intervall endet und das zweite Intervall beginnt, indem die angeschlossene LED erneut eingeschaltet wird.A switch-off phase is provided after this target duration D S has elapsed. This lasts up to a point in time t 2 , at which the first interval ends and the second interval begins, in which the connected LED is switched on again.
Tatsächlich jedoch liegt abweichend von den beschriebenen Soll-Werten keine Soll-Spannung US von 12 V an, sondern vielmehr eine Ist-Spannung Ui, die einen höheren Wert als 12 V aufweist, also eine Überspannung darstellt. Der Verlauf der Ist-Spannung Ui ist in durchgezogenen Linien dargestellt.In fact, however, deviating from the described setpoint values, there is no setpoint voltage U S of 12 V, but rather an actual voltage U i that has a higher value than 12 V, ie represents an overvoltage. The course of the actual voltage U i is shown in solid lines.
Eine Schaltung, die als Überspannungs-Schutzschaltung zur Leistungsregelung bezeichnet werden kann, dient dazu, die Ist-Spannung Ui zu detektieren und die Einschaltphasen in der Weise zu modulieren, dass dennoch die angeschlossene LED mit annähernd der gewünschten Leistung zu betreiben ist, und dass jedenfalls der Betrieb mit einer unzuträglich hohen Leistung vermieden wird. Hierzu wird die Ist-Spannung Ui nicht verändert, sondern die LED wird mit dieser Überspannung betrieben. Allerdings wird die Einschaltphase innerhalb eines Intervalls vom Soll-Wert DS auf eine Ist-Dauer Di reduziert, so dass die Einschaltphase vom Zeitpunkt t1 zu Beginn des Intervalls lediglich bis zum tatsächlichen End-Zeitpunkt ti statt bis zum eigentlich vorgesehenen End-Zeitpunkt tS dauert.A circuit that can be referred to as an overvoltage protection circuit for power control is used to detect the actual voltage U i and to modulate the switch-on phases in such a way that the connected LED can still be operated with approximately the desired power, and that in any case, operation with an unacceptably high power is avoided. For this purpose, the actual voltage U i is not changed, but the LED is operated with this overvoltage. However, the switch-on phase is reduced within an interval from the target value D S to an actual duration D i , so that the switch-on phase from time t 1 at the beginning of the interval only ends at the actual end time t i instead of up to the actually intended end Time t S lasts.
In der grafischen Darstellung des Diagramms ergeben sich sowohl für das Rechteck mit den Soll-Werten, also in gestrichelten Linien, als auch für das Rechteck in durchgezogenen Linien, welches die Ist-Werte repräsentiert, gleiche Flächeninhalte. Diese verdeutlichen, dass die Schaltung die Einschaltphase um dasselbe Maß - also mit einem Faktor von 1 - verkürzt, um welches die Ist-Spannung Ui die Soll-Spannung US als Überspannung übersteigt.In the graphical representation of the diagram, the same areas result both for the rectangle with the target values, ie in dashed lines, and for the rectangle in solid lines, which represents the actual values. These make it clear that the circuit shortens the switch-on phase by the same amount - ie by a factor of 1 - by which the actual voltage U i exceeds the target voltage U S as overvoltage.
Im Vergleich zum Betrieb der LED an einer Konstantstromquelle kann mittels der vorschlagsgemäß vorgesehenen Schaltung auf wirtschaftlich vorteilhafte Weise sichergestellt werden, dass die LEDs mit einer akzeptablen Leistung betrieben werden und die Nachteile, die mit einem unerwünschten Betrieb mit einer erhöhten effektiven Leistung verbunden wären, zuverlässig vermieden werden können.Compared to operating the LED on a constant current source, it can be ensured in an economically advantageous manner by means of the proposed circuit that the LEDs are operated with an acceptable power and the disadvantages that would be associated with an undesired operation with an increased effective power are reliably avoided can become.
Im Gegensatz zu den erläuterten, in der Praxis auftretenden Überspannungen können mittels der vorgeschlagenen Schaltung Unterspannungen, die in der Praxis ebenfalls auftreten, nicht ausgeglichen werden. Sie bewirken jedoch für die Temperaturentwicklung und die Lebensdauer der LEDs sowie für die praktische Nutzungsdauer der Beleuchtungseinrichtung nicht die eingangs geschilderten Nachteile, so dass die Unterspannungen eher in Kauf genommen werden können als Überspannungen.In contrast to the explained overvoltages that occur in practice, undervoltages that also occur in practice cannot be compensated for by means of the proposed circuit. However, they do not cause the disadvantages described at the outset in terms of temperature development and the service life of the LEDs or the practical service life of the lighting device, so that undervoltages are more acceptable than overvoltages.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Beispiels wurde erläutert, dass mittels der vorschlagsgemäßen Schaltung und dem darin berücksichtigten Faktor 1 das Produkt aus Spannung und Einschalt-Zeitdauer im praktischen Betrieb exakt gleich groß ist wie das Produkt aus der vorgesehenen Soll-Spannung und der vorgesehenen Soll-Einschalt-Zeitdauer. Abweichend davon kann die vorschlagsgemäß vorgesehene Schaltung auch in der Weise ausgestaltet sein, dass ein anderer Faktor angewendet wird, oder dass ein zusätzlicher Korrekturfaktor in die Berechnung der Ist-Dauer Di einfließt: beispielsweise wenn sich die Helligkeit der LED nicht linear mit der angelegten Spannung entwickelt, kann der erwähnte Korrekturfaktor sicherstellen, dass die LED mit der gewünschten Helligkeit betrieben wird. Insbesondere wenn die Helligkeit überproportional ansteigt, kann mittels derartiger Korrekturfaktoren die Ist-Dauer Di weiter verkürzt werden, als anhand des Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, so dass die positiven Auswirkungen der Schaltung besonders stark zum Tragen kommen.Using the example shown in the drawing, it was explained that using the proposed circuit and the
Am Markt erhältliche Standard-LED-Streifen sind dafür ausgelegt an einer konstanten Spannung betrieben zu werden. Weil die abgegebene Lichtmenge einer LED ausschließlich vom Strom abhängt, ist es notwendig, diesen Strom konstant zu halten. Liegt eine konstante Anschlussspannung vor, ist ein konstanter Strom durch einen Vorwiderstand sicherzustellen. Beim Betrieb mit Netzteilen, z.B. in Gebäudeinstallationen, ist das sicherzustellen. Hier wird aufgrund der Leitungswiderstände durch längere Gebäudeverkabelungen die gewünschte Anschlussspannanung sogar häufig unterschritten und die maximale zulässige LED-Leistung bzw. -Helligkeit nicht erreicht. Anders sieht aber der Betrieb im KFZ aus. Hier sind Bord-Spannungen von 10-20% oberhalb der Nennspannung von 12V sogar die Regel. Was dabei bislang kaum jemand berücksichtigt hat, ist, dass diese Überspannung bei LEDs mit Vorwiderstand die Leistung des Systems drastisch ansteigen lässt. Je nach LED-Qualität kann das bei 20% Überspannung zu bis zu 200% der Nennleistung führen. Dabei wird noch nicht einmal die Helligkeit verdoppelt, sondern der Vorwiderstand trägt wesentlich zur Erwärmung bei.Standard LED strips available on the market are designed to be operated at a constant voltage. Because the amount of light emitted by an LED depends solely on the current, it is necessary to keep this current constant. If the connection voltage is constant, a constant current must be ensured using a series resistor. This must be ensured when operating with power packs, e.g. in building installations. Here, due to the line resistance caused by longer building cabling, the desired connection voltage is often undercut and the maximum permissible LED output or brightness is not achieved. But the operation in the car looks different. On-board voltages of 10-20% above the nominal voltage of 12V are even the norm here. What hardly anyone has taken into account is that this overvoltage drastically increases the performance of the system in LEDs with a series resistor. Depending on the LED quality, this can lead to up to 200% of the nominal power at 20% overvoltage. The brightness is not even doubled, but the series resistor contributes significantly to the heating.
Der Lichtstrom nimmt linear mit dem Strom zu, damit steigt auch die Leistungsaufnahme der LED annähernd linear. Aber das Ohmsche Gesetzt beschreibt die Leistungsaufnahme am Widerstand mit P = R * I2. Damit geht der wesentliche Leistungsbedarf einfach in Wärme über, ohne zur Erhellung beizutragen. Natürlich ist damit die LED-Helligkeit nach wie vor von der Bordspannung abhängig. Bleibt noch zu erwähnen, dass die Standzeit bzw. die Lebensdauer (lifetime) einer LED im Wesentlichen von ihrer Betriebstemperatur abhängt. Diese kann sich ohne weiteres durch den falschen Temperaturarbeitsbereich von 40.000h auf einen Bruchteil z.B. im Mittel 4.000h reduzieren.The luminous flux increases linearly with the current, so the power consumption of the LED also increases almost linearly. But Ohm's law describes the power consumption at the resistor with P = R * I 2 . This means that the essential power requirement simply turns into heat without contributing to the illumination. Of course, the LED brightness still depends on the on-board voltage. It remains to be mentioned that the service life or lifespan (lifetime) of an LED essentially depends on its operating temperature. This can easily be reduced from 40,000 hours to a fraction, for example 4,000 hours on average, by using the wrong temperature working range.
Man hat es also mit mehreren negativen Effekten zu tun:
- 1. Akkukapazität wird verschwendet,
- 2. die Helligkeit der LED schwankt mit der Bordspannung,
- 3. die LED-lifetime sinkt dramatisch.
- 1. Battery capacity is wasted,
- 2. the brightness of the LED varies with the on-board voltage,
- 3. the LED lifetime drops dramatically.
Das bekannteste Verfahren um solche negativen Auswirkungen zu verhindern, ist die Nutzung von Konstantstromquellen. Diese werden exakt auf die verwendeten LEDs bzw. auf die Anwendung abgestimmt und sind entweder extern vorgeschaltet oder mit der LED gemeinsam aufgebaut. Letzteres führt zu erhöhten Kosten. Ersteres ist aufgrund der niedrigen Bordnennspannung von 12V nur für max. 3 (weiße) LED in Reihe geeignet. In jedem Fall muss aber die angeschlossene LED-Leistung bzw. der LED-Strom vorab bekannt sein, damit auch die richtige LED-Leistung eingestellt wird.The best-known method of preventing such negative effects is the use of constant current sources. These are precisely matched to the LEDs used or to the application and are either connected externally or built together with the LED. The latter leads to increased costs. Due to the low board voltage of 12V, the former is only suitable for a maximum of 3 (white) LEDs in series. In any case, the connected LED power or the LED current must be known in advance so that the correct LED power can be set.
Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Kfz-Beleuchtungseinrichtung zielt darauf ab, die Überhitzung der LED-Leuchten bei wechselnden und erhöhten Bordspannungen zu vermeiden. Erster erwünschter Nebeneffekt ist die Konstanthaltung der Helligkeit. Dies wird erreicht, weil das menschliche Auge die Helligkeit einer Lichtquelle über die Wahrnehmung integriert, ähnlich wie es bei einem Fernsehbild der Fall ist. Jeder weiß, dass ein Fernsehbild Einzelbilder in Folge zeigt, trotzdem werden diese als fließende Bewegungen wahrgenommen. Im vorliegenden Fall wird eine Technik genutzt wie sie auch beim Dimmen von LEDs genutzt wird. Hier ist der funktionale Zusammenhang zwischen Bordspannung und der resultierenden Anschlussleistung ermittelt worden, so dass deren Einfluss kompensiert werden kann.A motor vehicle lighting device designed according to the invention aims to avoid overheating of the LED lights in the event of changing and increased on-board voltages. The first desired side effect is keeping the brightness constant. This is achieved because the human eye integrates the brightness of a light source over perception, much like a television picture. Everyone knows that a television picture shows frames in succession, but these are still perceived as flowing movements. In the present case, a technique is used that is also used for dimming LEDs. The functional connection between on-board voltage and the resulting connected load has been determined here so that their influence can be compensated.
Die Begrenzung der Ausgangsleistung bei überhöhten Spannungen ist zwar auch mit einer Konstantstromquelle machbar, das setzt aber immer die Kenntnis bzw. Festlegung auf eine bestimmte Nennleistung voraus. Erfindungsgemäß hingegen wird hier keine derartige Festlegung benötigt und es wird über den gesamten Leistungsbereich automatisch auf die gerade angeschlossene LED-Leistung begrenzt. Sogar unterschiedliche parallel geschaltete Konstantspannungs-LED-Leuchten lassen sich in ihrer jeweiligen individuellen Leistung begrenzen. Zusätzlich ist automatisch ein Überspannungsschutz integriert, der die LEDs oberhalb von z.B. einstellbaren 16V Bord(über)spannung komplett abschaltet und damit sicher schützt.Limiting the output power in the case of excessive voltages can also be done with a constant current source, but this always requires knowledge or a commitment to a specific nominal power. According to the invention, on the other hand, no such definition is required here and it is automatically limited to the currently connected LED power over the entire power range. Even different constant voltage LED lights connected in parallel can be limited in their respective individual output. In addition, overvoltage protection is automatically integrated LEDs above e.g. adjustable 16V on-board (over) voltage completely switched off and thus safely protected.
Die Steuerung kann an 12V- oder 24V-Systemen eingesetzt werden und ist bis über 30V Eingangsspannung zu betreiben. Darüber wird eine eigene Schutzschaltung aktiv, welche die Steuerung selbst schützt. Allerdings nur eine begrenzte Zeit von wenigen Minuten. Das System ist selbstrückstellend ausgelegt, sodass kein Nutzereingriff an der Steuerung nötig ist. Sinkt die Spannung unterhalb einer einstellbaren Schwelle, reaktiviert sich die Funktion automatisch.The controller can be used on 12V or 24V systems and can be operated with an input voltage of up to 30V. A separate protection circuit becomes active, which protects the controller itself. However, only for a limited time of a few minutes. The system is designed to be self-resetting so that no user intervention on the control is necessary. If the voltage falls below an adjustable threshold, the function is automatically reactivated.
Ein dauerhaft falscher Anschluss an eine zu hohe Spannung kann die Steuerung trotzdem beschädigen. Damit auch LEDs mit eigener Stromquelle an solcher einer Steuerung betrieben werden können, lässt sich diese Funktion selektiv für einzelne oder alle Kanäle abschalten, ohne die generelle Schutzschaltung (z.B. 16V) zu beeinträchtigen. Grundsätzlich lassen sich alle LEDs mit Vorwiderstand so in Ihrer Leistung begrenzen und vor Überhitzung schützen.A permanently incorrect connection to a voltage that is too high can still damage the controller. So that LEDs with their own power source can also be operated on such a controller, this function can be switched off selectively for individual or all channels without affecting the general protective circuit (e.g. 16V). In principle, all LEDs with a series resistor can be limited in their performance and protected from overheating.
Um den Betriebszustand von LEDs innerhalb definierter Grenzen zu halten, ist entweder eine konstante Spannung oder ein konstanter Strom notwendig. Bei konstanter Spannung kann durch geeignete Wahl eines (konstanten) Vorwiderstandes der gewünschte Betriebszustand hergestellt werden.In order to keep the operating status of LEDs within defined limits, either a constant voltage or a constant current is required. If the voltage is constant, the desired operating state can be established by suitably selecting a (constant) series resistor.
Nachteil: Überschreitet die Ist-Spannung auch nur leicht um 10-20% die Nennspannung, erhöht sich die Leistungsaufnahme solch eines Konzeptes sofort bis zum Doppelten der Nennleistung und führt u.U. zum schnellen Ausfall durch Überhitzung, oder lässt die lifetime der LED durch die Überhitzung drastisch sinken.Disadvantage: If the actual voltage exceeds the nominal voltage by just 10-20%, the power consumption of such a concept immediately increases to twice the nominal power and may lead to rapid failure due to overheating, or drastically reduces the lifetime of the LED due to overheating sink.
Ist die Spannung nicht wirklich konstant, ist ein definierter Betrieb mittels einer Konstantstromquelle möglich. Diese regelt auftretende Überspannungen innerhalb eines gewissen Bereiches aus.If the voltage is not really constant, a defined operation is possible using a constant current source. This regulates overvoltages that occur within a certain range.
Nachteil: Der Strom bestimmt die Leistung, weshalb diese vorher bekannt sein muss, damit ein definierter Arbeitsbereich hergestellt werden kann. Ein universeller Einsatz ist nicht möglich, weil die Stromquelle auf die LEDs abgestimmt werden muss.Disadvantage: The current determines the performance, which is why this must be known in advance so that a defined working area can be established. Universal use is not possible because the power source has to be matched to the LEDs.
Diese beiden Nachteile vermeidet das erfindungsgemäße Konzept, weil es unabhängig von der tatsächlichen angeschlossenen Leistung funktioniert. Allein die Messung des Unterschiedes zwischen Ist- und Soll-Spannung reicht aus, um eine lastunabhängige Leistungsbegrenzung und damit eine übermäßige Erwärmung der LEDs zu verhindern. Hierfür wurde ein funktionaler Zusammenhang zwischen Überspannung und der Leistungsaufnahme ermittelt. Dieser funktionale Zusammenhang wird einer erfindungsgemäßen LED-Steuerung genutzt, um die Leistungsaufnahme der LEDs mit Vorwiderstand trotz Überspannung annähernd konstant zu halten.The concept according to the invention avoids these two disadvantages because it works independently of the actual connected power. Simply measuring the difference between the actual and target voltage is sufficient to prevent load-independent power limitation and thus excessive heating of the LEDs. For this purpose, a functional relationship between overvoltage and power consumption was determined. This functional relationship is used in an LED controller according to the invention in order to keep the power consumption of the LEDs with a series resistor approximately constant despite overvoltage.
Dazu müssen nur wenige und leicht zu ermittelnde bzw. bekannte Größen als Parameter der Funktion berücksichtigt werden. Das sind:
- 1. Sollspannung, z.B. 12V oder 24V
- 2. Istspannung = Sollspannung + 10-20%
- 3. Durchbruch-Spannung der verwendeten LEDs, bei weiß ca. 2.8V bis 3.2V pro LED
- 4. Anzahl der LED pro Gruppe, 3 Stück bei 12V, 6 Stück bei 24V usw.
- 1. Target voltage, eg 12V or 24V
- 2. Actual voltage = target voltage + 10-20%
- 3. Breakdown voltage of the LEDs used, with white approx. 2.8V to 3.2V per LED
- 4. Number of LEDs per group, 3 pieces at 12V, 6 pieces at 24V etc.
Allein aus diesen Parametern lässt sich über folgende Formel ein Faktor ermitteln, der z.B. eine eingestellte PWM (Pulsweitenmodulation) überlagert und dadurch die Leistung und wahrgenommene Helligkeit auf konstantem Niveau hält.
- Uist = 14.4 V
- Unenn = 12 V
- ULED = 9.6 V
- Urel = 1.2
- Prel = 1.92
- U is = 14.4 V
- U rated = 12 V
- U LED = 9.6V
- Urel = 1.2
- Prel = 1.92
Urel und Prel sind dimensionslose Faktoren. ULED steht für die LED-Durchbruchspannung (Annahme: 3 x 3.2V = 9.6V).U rel and P rel are dimensionless factors. U LED stands for the LED breakdown voltage (assumption: 3 x 3.2V = 9.6V).
Urel = 1.2 steht für 20% Überspannung und Prel = 1.92 steht für 1.92-fache Leistungsaufnahme. Wird z.B. die PWM um diesen Faktor reduziert, reduziert sich auch die Leistungsaufnahme um diesen Faktor und bleibt damit konstant. Damit lässt sich allein aus den Spannungsverhältnissen berechnen, wie die Leistung bei einer bestimmten Überspannung steigt. Da weder der Strom, noch eine Anschlussleistung in die Formel eingeht, ist dieses Verfahren sehr universell und kann damit an jeder LED-Schaltung mit Vorwiderständen eingesetzt werden, auch bei unterschiedlichen Nennspannungen. Hier ist allein die LED-Spannung für LED-Gruppe (3, 6, ..) anzupassen.U rel = 1.2 stands for 20% overvoltage and P rel = 1.92 stands for 1.92 times the power consumption. If, for example, the PWM is reduced by this factor, the power consumption is also reduced by this factor and thus remains constant. This means that the voltage ratio alone can be used to calculate how the power increases for a specific overvoltage. Since neither the current nor a connected load is included in the formula, this method is very universal and can therefore be used on any LED circuit with series resistors, even with different nominal voltages. Only the LED voltage for the LED group (3, 6, ..) needs to be adjusted here.
Die Formel für Prel könnte noch durch einen Term ergänzt werden, der berücksichtigt wie ULED mit zunehmendem Strom ebenfalls größer wird (hier als Konstant angenommen). Da dieser physikalische Einfluss auf die Leistung aber vernachlässigbar ist und die Gleichung dadurch zu einer Differentialgleichung würde, wurde hier darauf verzichtet.The formula for P rel could be supplemented with a term that takes into account how U LED also increases with increasing current (here assumed to be a constant). However, since this physical influence on the performance is negligible and the equation would become a differential equation as a result, it was not used here.
Die theoretisch erwartete quadratische Abhängigkeit ist in der empirischen Praxis kaum wahrnehmbar, da der betrachtete Bereich von 0% bis ca. 30% sich noch annähernd linear verhält. Deshalb könnte man auch mit ausreichender Genauigkeit eine lineare Gleichung verwenden. Die Terme in der Gleichung lassen sich wie folgt identifizieren.The theoretically expected quadratic dependency is hardly perceptible in empirical practice, since the range from 0% to approx. 30% is still almost linear. Therefore one could also with sufficient accuracy a use linear equation. The terms in the equation can be identified as follows.
Der lineare Term steht für die LED, deren Leistung linear zunimmt, während die (Verlust-)Leistung am Vorwiderstand wegen Pvor = I2 x Rvor quadratisch zunimmt.The linear term stands for the LED whose power increases linearly, while the power (loss) at the series resistor increases quadratically because of P vor = I 2 x R vor .
- Uu
- Spannungtension
- tt
- Zeittime
- USU.S
- Soll-Spannungtarget voltage
- DSDS
- Soll-Dauertarget duration
- t1t1
- Zeitpunkt: Beginn des ersten IntervallsTime: Beginning of the first interval
- tStS
- Zeitpunkt: Soll-Ende des ersten IntervallsTime: Target end of the first interval
- t2t2
- Zeitpunkt: Beginn des zweiten IntervallsTime: beginning of the second interval
- Uiwow
- Ist-Spannungactual voltage
- DiTue
- Ist-Daueractual duration
- TiTi
- tatsächlicher End-Zeitpunktactual end time
Claims (5)
- Vehicle lighting device having a power source supplying an actual voltage Ui that possibly deviates from a nominal voltage Us and having an LED that can be connected to the power source and having a series resistance connected in series with the LED, where an overvoltage protection circuit, referred to as "circuit" for short, is connected in series with the LED for power control by means of intermittent voltage modulation, which is designed to interrupt the voltage supply at intervals so as to switch the LED alternately on and off, where the switching-on phase and a following switching-off phase define an interval, where the circuit is designed so that, while maintaining the actual voltage Ui applied to the circuit, the actual switching-on period Di is shortened within an interval by comparison with a nominal pre-defined switching-on period Ds, if the actual voltage Ui of the power source exceeds its nominal voltage Us, characterised in that the circuit is designed so that a factor F is included in the calculation of the actual switching-on period Di so that with an overvoltage U determined by using the formula Ui/Us - 1 = U the actual switch-on period is determined by means of the calculation
- Vehicle lighting device in accordance with claim 1, characterised in that the lighting device incorporates a dimmer connected in series with the circuit to generate switching-on and switching-off phases.
- Vehicle lighting device in accordance with claim 1 or 2, characterised in that the circuit is designed to activate 25 or more switching-on and switching-off operations a second.
- Vehicle lighting device in accordance with claim 3, characterised in that the circuit is designed to activate 100 or more switching-on and switching-off operations a second.
- Vehicle lighting device in accordance with any one of the foregoing claims, characterised in that the circuit is designed so that a correction factor that takes into consideration the brightness variation of the LED within the overvoltage range is included in the calculation of the actual switch-on time Di.
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