DE10160169A1

DE10160169A1 - Beleuchtungsvorrichtung für den Innenraum eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE10160169A1
Application number: DE10160169A
Authority: DE
Inventors: Frank Gronemeier
Original assignee: Goodrich Hella Aerospace Lighting Systems GmbH
Current assignee: Goodrich Lighting Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2021-12-08
Also published as: DE10160169C2

Abstract

Die Beleuchtungsvorrichtung (10) für den Innenraum eines Fahrzeuges, insbesondere für eine Flugzeugkabine, ist mit einer Energieversorgungseinheit (28) versehen, die einen Eingang (30) für eine Versorgungsspannung aufweist und an einem Ausgang (26) eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom liefert. Ferner weist die Beleuchtungsvorrichtung (10) mehrere Leuchtdioden (12, 14, 16) auf, die jeweils eine im wesentlichen gleiche Vorwärtsspannung aufweisen und in Reihe geschaltet sind, wobei diese Reihenschaltung an dem Ausgang (26) der Energieversorgungseinheit (28) angeschlossen ist. Parallel zu jeder Leuchtdiode (12, 14, 16) ist ein Schalter (18, 20, 22) zum wahlweisen Überbrücken der betreffenden Leuchtdiode (12, 14, 16) geschaltet. Die Energieversorgungseinheit (28) regelt die Ausgangsspannung automatisch auf einen Wert, der mindestens gleich der Summe der Vorwärtsspannungen der nicht überbrückten Leuchtdioden ist, und regelt den Ausgangsstrom auf einen von der Ausgangsspannung unabhängigen, im wesentlichen konstanten Wert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für den Innenraum eines Fahrzeuges und insbesondere für eine Flugzeugkabine.
Es ist bereits bekannt, im Innenraum von Fahrzeugen zur Beleuchtung und insbesondere als Leselampen Leuchtdioden (LED) einzusetzen. Derartige Leuchtdioden sind an einem Gleichstromnetz angeschlossen und werden über eine Konstantstromquelle betrieben, um unterschiedlichen Vorwärtsspannungen sowie der Charakteristik von Leuchtdioden Rechnung zu tragen. Auf Grundihrer hohen Lichtabgabe werden zu Beleuchtungszwecken insbesondere Hochleistungs-Leuchtdioden mit einer elektrischen Leistung von etwa 1 W eingesetzt, die bei einem Strom von etwa 300 bis 400 mA eine Vorwärtsspannung von etwa 2 bis 4 V aufweisen.
Wird eine derartige Hochleistungs-Leuchtdiode für eine Einzelapplikation beschaltet, so würden nicht unbeträchtliche Verlustleistungen in der Vorbeschaltung (durch Widerstände oder lineare Konstantstromquellen) entstehen, da die Differenz aus der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode und der Bordnetzspannung (im Kraftfahrzeug 12 V bzw. 42 V, bei Lkw 24 V und bei Flugzeugen 28 V) multipliziert mit dem Strom in Wärme umgesetzt werden muss. Dies wiederum führt insbesondere bei kleinen Applikationen zu einer derart starken Erwärmung, dass der Betrieb der Leuchtdiode und somit der ganzen Applikation gefährdet sein.
Bei Verwendung von Hochleistungs-Leuchtdioden ist es somit abhängig von der Applikation empfehlenswert, effiziente Stromquellen zu verwenden, bei denen die Differenz der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode und der Eingangsspannung der Energieversorgung nicht in Wärme umgesetzt wird. Hierzu können beispielsweise Schaltregler eingesetzt werden. Deren Schaltungsprinzip ist jedoch vergleichsweise aufwändig und teuer.
Werden nun in einem Fahrzeug mehrere Lichtquellen verwendet, die auf Basis von Hochleistungs-Leuchtdioden arbeiten, und sollen diese Lichtquellen einzeln ein- und ausgeschaltet und/oder gedimmt werden können, so ist es bekannt, jede Leuchtdiode mit einer eigenen Konstantstromquelle zu betreiben, was ebenfalls recht aufwändig und damit teuer ist.
Aus DE-A-198 43 330 ist es bekannt, mehrere Leuchtdioden in Reihe zu schalten und diese Reihenschaltung an eine Konstantstromversorgungseinheit anzuschließen. Allerdings lassen sich mit dieser bekannten Beschaltung lediglich sämtliche Dioden ein- oder ausschalten. Das Ausschalten einzelner der in Reihe geschalteten Leuchtdioden mit der Folge, dass die anderen Leuchtdioden eingeschaltet bleiben, ist nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Beleuchtungsvorrichtung für den Innenraum eines Fahrzeuges zu schaffen, die eine Einzelbetätigung von Leuchtdioden bei Verwendung einer einzigen Energieversorgungseinheit für eine Vielzahl von Leuchtdioden ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung für den Innenraum eines Fahrzeuges, insbesondere für eine Flugzeugkabine, vorgeschlagen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung versehen ist mit

- einer Energieversorgungseinheit, die einen Eingang für eine Versorgungsspannung aufweist und an einem Ausgang eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom liefert, und
- mehreren Leuchtdioden, die jeweils eine im wesentlichen gleiche Vorwärtsspannung aufweisen und in Reihe geschaltet sind, wobei diese Reihenschaltung an dem Ausgang der Energieversorgungseinheit angeschlossen ist,
- wobei parallel zu jeder Leuchtdiode ein Schalter zum wahlweisen Überbrücken der betreffenden Leuchtdiode geschaltet ist und
- wobei die Energieversorgungseinheit die Ausgangsspannung automatisch auf einen Wert, der mindestens gleich der Summe der Vorwärtsspannungen der nicht überbrückten Leuchtdioden ist, und den Ausgangsstrom auf einen von der Ausgangsspannung unabhängigen, im wesentlichen konstanten Wert regelt.

Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist eine Reihenschaltung von Leuchtdioden mit dem Ausgang einer Energieversorgungseinheit verbunden. Parallel zu jeder Leuchtdiode ist jeweils ein EIN/AUS-Schalter geschaltet. Mit anderen Worten ist also an den Ausgang der Energieversorgungseinheit eine Reihenschaltung aus Einzelparallelschaltungen angeschlossen, von denen jede eine Leuchtdiode und einen parallel zu dieser geschalteten EIN/AUS- Schalter aufweist.
Bei der Energieversorgungseinheit handelt es sich um eine Konstantstromversorgungseinheit, die unabhängig von der aktuellen Ausgangsspannung einen im wesentlichen konstanten Ausgangsstrom liefert. Bei der hier zum Einsatz kommenden Energieversorgungseinheit handelt es sich beispielsweise um eine Konstantstromquelle auf Schaltregler-Basis (d. h. mit schaltbarem Spannungswandler). Die Energieversorgungseinheit stellt selbsttätig ihre Ausgangsspannung auf einen Wert ein, der mindestens gleich der Anzahl der nicht überbrückten Leuchtdioden multipliziert mit der Vorwärtsspannung ist. Zur Nachführung der Ausgangsspannung wird der von der Energieversorgungseinheit aktuell gelieferte Ausgangsstrom gemessen. Wird nun eine der Leuchtdioden durch Schließen des parallel geschalteten Schalters kurzgeschlossen bzw. durch Öffnen des parallel geschalteten Schalters stromdurchflossen, so steigt bzw. sinkt der Ausgangsstrom an bzw. ab. Dies wird erkannt und zur Nachführung bzw. Anpassung der Ausgangsspannung verwendet, indem ein insbesondere DC/DC-Wandler der Energieversorgungseinheit entsprechend angesteuert wird.
Durch die zu den einzelnen Leuchtdioden parallel geschalteten EIN/AUS- Schalter wird eine Einzelbedienbarkeit und somit eine unabhängige Bedienbarkeit sämtlicher Leuchtdioden erreicht, wobei sämtliche einzeln schaltbare Leuchtdioden von einer gemeinsamen Energieversorgungseinheit versorgt werden. Diese Energieversorgungseinheit weist einen entweder als Aufwärts- oder als Abwärtswandler ausgebildeten Spannungswandler auf, der bei jeder beliebigen Spannung zwischen 0 V und seiner maximalen Ausgangsspannung einen konstanten Strom liefert. Sollten sämtliche Leuchtdioden eingeschaltet sein, so treibt der Wandler diese Last bei maximaler Leistung, d. h. es fließt der maximale Eingangsstrom (bei konstanter Eingangsspannung, mit der der Wandler versorgt wird). Sind sämtliche Leuchtdioden ausgeschaltet, so treibt der Wandler einen Strom von einigen mA und seine Ausgangsspannung ist nahezu oder gleich 0 V. Somit entscheidet die Effizienz des Wandlers über die Stromaufnahme und damit über die Verlustleistung. Da die Stromaufnahme aber verhältnismäßig gering ist, ist somit auch die Verlustleistung verhältnismäßig gering.
Als EIN/AUS-Schalter können mechanische Schalter, elektromechanische Schalter (z. B. Relais) oder elektronische Schalter mit Treiber verwendet werden. Bei Verwendung elektromechanischer und elektronischer Schalter ist es möglich, eine defekte Leuchtdiode über den Schalter dauerhaft zu überbrücken. Somit kann verhindert werden, dass bei Ausfall einer Leuchtdiode der gesamte Stromkreis unterbrochen ist. Die Diagnose der einzelnen Leuchtdioden erfolgt dabei (z. B. von Zeit zu Zeit) durch Auswertung des Stroms bei eingeschalteter und ausgeschalteter Leuchtdiode. Werden elektronische Schalter verwendet, so kann zusätzlich noch über eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) (z. B. mit 100 Hz) eine Dimmung realisiert werden. Dabei kann sowohl ein einziger PWM-Dimmer für sämtliche parallel geschalteten Leuchtdioden als auch für jede Leuchtdiode ein separater PWM-Dimmer verwendet werden. Die PWM-Signale können auch unterschiedlich sein, um einige der Leuchtdioden einzeln dimmen zu können. Als Beispiel für einen elektronischen Schalter sei hier ein Bipolar-Transistor, ein MOSFET oder ein Solid-State-Relais genannt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen dabei:
Fig. 1 bis 4 Schaltungskonzepte zur Ansteuerung mehrerer einzeln kontrollierbarer Leuchtdioden mit einer Konstantstromquelle auf Schaltregler- Basis und unterschiedlichen EIN/AUS-Schaltern für die einzelnen Leuchtdioden und
Fig. 5 ein Beispiel für die Ausführung der Konstantstromquelle auf Schaltregler-Basis.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 10 für den Innenraum eines Fahrzeuges (beispielsweise Flugzeugkabine, Innenraum eines Reisebusses oder Van) ist in Fig. 1 gezeigt. Die Beleuchtungsvorrichtung 10 weist mehrere Hochleistungs-Leuchtdioden 12, 14, 16 auf, über denen während des Betriebs jeweils eine Vorwärtsspannung U_F abfällt. Parallel zu jeder Leuchtdiode 12 ist ein mechanischer EIN/AUS-Schalter 18, 20, 22 geschaltet. Obwohl in Fig. 1 lediglich drei Einheiten aus Leuchtdiode und parallel geschaltetem Schalter gezeigt sind, ist bei 24 angedeutet, dass die Beleuchtungsvorrichtung 10 mehr als diese drei Einheiten aufweist.
Die Reihenschaltung aus den Einzelparallelschaltungen, die ihrerseits jeweils aus einer Leuchtdiode und einem Schalter bestehen, ist mit dem Ausgang 26 einer Energieversorgungseinheit 28 verbunden, deren Eingang 30 mit einer Eingangsspannung U_IN versorgt wird, bei der es sich beispielsweise um die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeuges oder Flugzeuges handelt. Die Energieversorgungseinheit 28 erzeugt an ihrem Ausgang 26 die Ausgangsspannung U_OUT sowie einen konstanten Ausgangsstrom I_CONST.
Durch wahlweises Einschalten der Schalter 18 bis 22 können einzelne der Leuchtdioden 12 bis 16 kurzgeschlossen und damit ausgeschaltet werden. Die Veränderung des bei Betätigung eines oder mehrerer Schalter 18 bis 22 sich verändernden Stroms wird in der Energieversorgungseinheit 28 erkannt. In Abhängigkeit von der Stromveränderung wird dann die Ausgangsspannung U_OUT nachgeführt, so dass diese Ausgangsspannung U_OUT jeweils gleich bzw. geringfügig größer als die Summe der Vorwärtsspannungen U_F der eingeschalteten Leuchtdioden 12 bis 16 ist. Darüber hinaus wird der sich verändernde Strom wieder auf den konstanten Ausgangsstrom I_CONST eingeregelt.
Ein Beispiel für die Ausführung der Energieversorgungseinheit 28 ist in Fig. 5 gezeigt. Am Eingang 30 der Energieversorgungseinheit 28 befindet sich ein EMV-Filter 32, dessen Ausgang mit einem Spannungswandler 34 verbunden ist, der in diesem Fall als DC/DC-Wandler ausgeführt ist. Dieser Wandler 34 gibt die Ausgangsspannung U_OUT und den Ausgangsstrom I_CONST aus. Über einem Shunt 36 erzeugt der Ausgangsstrom einen Spannungsabfall, der mittels eines Verstärkers 38 verstärkt und dem Wandler 34 als Steuerspannung zugeführt wird. Sollte auf Grund des Zuschaltens einer Leuchtdiode 12 bis 16 der Ausgangsstrom sich (kurzzeitig) verringern, so wird dies durch den Shunt 36 detektiert und über den Verstärker 38 dem Wandler 34 zugeführt. Durch entsprechende Steuerung des Wandlers 34 erzeugt dieser dann am Ausgang 26 der Energieversorgungseinheit 28 eine erhöhte Ausgangsspannung U_OUT. Umgekehrt wird die Ausgangsspannung verringert, wenn über den Shunt 36 detektiert wird, dass beim Ausschalten einer der Leuchtdioden 12 bis 16 der Strom kurzzeitig ansteigt.
Wie man anhand von Fig. 5 ferner erkennt, ist die Energieversorgungseinheit 28 mit einer von der Eingangsspannung U_IN versorgten Hilfsenergieversorgungseinheit 40 versehen, die den Wandler 34 und den Verstärker 38 mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgt.
In den Fig. 2 bis 4 sind alternative Ausgestaltungen von Beleuchtungsvorrichtungen 50, 60 und 70 gezeigt, wobei gleiche Funktionseinheiten und Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind. Die Unterschiede dieser alternativen Ausgestaltungen sind in der Wahl der Schalter 18 bis 22 und deren Beschaltung zu sehen.
So sind im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 anstelle der mechanischen Schalter des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 elektromechanische Schalter 16 bis 20 verwendet, deren Schalter 51, 52, und 53 durch über eine Steuerspannung U_C ansteuerbare Solenoide 54, 55 und 56 betätigbar sind.
Im Falle der Beleuchtungsvorrichtung 60 gemäß Fig. 3 sind die Schalter 16, 18, 20 durch elektronische Schalter 61, 62, 63 ersetzt, die über Treiberschaltungen 64, 65, 66 ansteuerbar sind, wobei diese Treiberschaltungen Signale 1, 2, 3 als Steuersignale empfangen. Bei den elektronischen Schaltern 61, 62 und 63 handelt es sich beispielsweise um Bipolar-Transistoren oder MOSFETs oder Solid-State-Relais. Bei Verwendung elektronischer Schalter sollten die entsprechenden Treiberschaltungen über eine Pegelanpassung vom eingehenden Steuersignal zur Gate-Source-Spannung bei MOSFETs oder Basis-Emitter-Spannung bei Bipolar-Transistoren verfügen.
Ein Vorzug der Verwendung von strom- bzw. spannungsgesteuerten Schaltern, wie dies bei den Beleuchtungsvorrichtungen 50 und 60 der Fig. 2 und 3 der Fall ist, ist darin zu sehen, dass dann, wenn eine (oder mehrere) der Leuchtdioden ausfällt, die übrigen Leuchtdioden weiterhin in gewünschter Weise eingesetzt werden können. Wird nämlich der Ausfall einer Leuchtdiode detektiert, was beispielsweise durch Untersuchung des Strom bei der betreffenden Leuchtdiode zugeordnetem ein- und ausgeschalteten Schalter und sonst unverändert gebliebener Beschaltung der anderen Leuchtdioden erfolgen kann, so kann der betreffende Schalter dauerhaft in den EIN-Zustand versetzt werden, wodurch die Reihenschaltung wieder geschlossen ist.
Ein weiterer Vorzug der Verwendung gesteuerter Schalter wird bei Betrachtung des Ausführungsbeispiels der Beleuchtungsvorrichtung 70 gemäß Fig. 4 deutlich. Dieses Ausführungsbeispiel verfügt über eine Dimmerschaltung 72, die zusätzlich zu der Beschaltung gemäß Fig. 3 hinzugefügt ist. Die Dimmerschaltung 72 weist mehrere Ausgänge 74, 76, 78 auf, über die die Steuersignale 1 bis 3 für die Treiberschaltungen 64 bis 66 ausgegeben werden. Die Dimmerschaltung 72 übernimmt darüber hinaus optional auch die bereits oben beschriebene Diagnose, wozu sie mit der Energieversorgungseinheit 28 über die Leitung 80 verbunden ist. An den Ausgängen 74 bis 78 der Dimmerschaltung 72 können unterschiedliche PWM-Signale ausgegeben werden, um die einzelnen Leuchtdioden unterschiedlich dimmen zu können.
Neben den zuvor genannten Vorteilen der Verwendung gesteuerter Schalter ist als weiterer Vorteil anzumerken, dass die Schaltvorgänge "weich" gestaltet werden können. Damit wird das Ausmaß der Stromveränderung in der Reihenschaltung verringert, was eine verbesserte Ausregelung des Stroms I_CONST und der Ausgangsspannung U_OUT ermöglicht. Damit wiederum wird eine Veränderung der Lichtabgabe der eingeschalteten Leuchtdioden dann, wenn eine Leuchtdiode aus- oder eingeschaltet wird, verringert, was grundsätzlich von Vorteil ist. Darüber hinaus ist ein sanfter Schaltvorgang auch im Hinblick auf EMV-Gesichtspunkte von Vorteil. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Signal
2 Signal
3 Signal
10 Beleuchtungsvorrichtung
12 Hochleistungs-Leuchtdiode
14 Hochleistungs-Leuchtdiode
16 Hochleistungs-Leuchtdiode
18 EIN/AUS-Schalter
20 EIN/AUS-Schalter
22 EIN/AUS-Schalter
26 Ausgang
28 Energieversorgungseinheit
30 Eingang
32 EMV-Filter
34 Spannungswandler
36 Shunt
38 Verstärker
40 Hilfsenergieversorgungseinheit
50 Beleuchtungsvorrichtung
51 Schalter
52 Schalter
53 Schalter
54 Solenoid
55 Solenoid
56 Solenoid
60 Beleuchtungsvorrichtung
61 elektronische Schalter
62 elektronische Schalter
63 elektronische Schalter
64 Treiberschaltung
65 Treiberschaltung
66 Treiberschaltung
70 Beleuchtungsvorrichtung
72 Dimmerschaltung
74 Ausgang
76 Ausgang
78 Ausgang
80 Leitung

Claims

1. Beleuchtungsvorrichtung für den Innenraum eines Fahrzeuges, insbesondere für eine Flugzeugkabine, mit
einer Energieversorgungseinheit (28), die einen Eingang (30) für eine Versorgungsspannung aufweist und an einem Ausgang (26) eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom liefert, und
mehreren Leuchtdioden (12, 14, 16), die jeweils eine im wesentlichen gleiche Vorwärtsspannung aufweisen und in Reihe geschaltet sind, wobei diese Reihenschaltung an dem Ausgang (26) der Energieversorgungseinheit (28) angeschlossen ist,
wobei parallel zu jeder Leuchtdiode (12, 14, 16) ein Schalter (18, 20, 22, 51, 52, 53, 61, 62, 63) zum wahlweisen Überbrücken der betreffenden Leuchtdiode (12, 14, 16) geschaltet ist und
wobei die Energieversorgungseinheit (28) die Ausgangsspannung automatisch auf einen Wert, der mindestens gleich der Summe der Vorwärtsspannungen der nicht überbrückten Leuchtdioden (12, 14, 16) ist, und den Ausgangsstrom auf einen von der Ausgangsspannung unabhängigen, im wesentlichen konstanten Wert regelt.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit (28) eine Konstantstromquelle mit einem schaltbaren Spannungswandler (34) aufweist.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Leuchtdioden (12, 14, 16) Hochleistungs-Leuchtdioden mit einer elektrischen Leistung von etwa 1 W, einer Stromaufnahme von etwa 300 bis 400 mA und einer Vorwärtsspannung von etwa 2 bis 4 V sind.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter mechanische Schalter (18, 20, 22) sind.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter elektromechanische Schalter (51, 52, 53) sind.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter elektronische Schalter (61, 62, 63) sind.