DE102004003844A1

DE102004003844A1 - Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines Leuchtmittels sowie Ansteuerschaltung zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Info

Publication number: DE102004003844A1
Application number: DE102004003844A
Authority: DE
Inventors: Volker Zipf
Original assignee: Odelo GmbH
Current assignee: Odelo 71409 Schwaikheim De GmbH
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-08-11
Also published as: KR20050077016A; US7187134B2; EP1558063A1; US20050218837A1

Abstract

Bei Kraftfahrzeugen werden die Leuchtmittel zunehmend durch LEDs gebildet. Infolge der großen möglichen Betriebsspannungen des Bordnetzes erzeugen solche Leuchten große Verlustleistungen bei hohen Spannungen. Außerdem sind die Kraftfahrzeugbordnetze häufig instabil. DOLLAR A Damit bei einfacher konstruktiver Auslegung ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist, wird das Leuchtmittel bei Überschreiten eines bestimmten Strom/Spannungswertes im Pulsbetrieb betrieben. Die Ansteuerschaltung hat einen Mikrocontroller, dem ein Teil des dem Leuchtmittel zugeführten Strom/Spannungssignals zugeführt wird. Der Mikrocontroller hat einen Ausgang, an den das Leuchtmittel unter Zwischenschaltung eines Schalters angeschlossen ist. Im Pulsbetrieb wird der Anstieg der Verlustleistung erheblich verringert. Helligkeitsschwankungen werden ausgeregelt. DOLLAR A Die Ansteuerung sowie die Ansteuerschaltung werden vorteilhaft bei Leuchten für Kraftfahrzeuge eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines Leuchtmittels nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Ansteuerschaltung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 7.

Bei Kraftfahrzeugen werden die Leuchtmittel zunehmend durch LEDs gebildet. Bei diesen Leuchten besteht das Problem, daß infolge der großen möglichen Betriebsspannungen des Bordnetzes, die üblicherweise zwischen 9 und 16 Volt liegen, die Leuchten große Verlustleistungen bei hohen Spannungen erzeugen. Werden die Leuchten bei der typischen nominalen Betriebsspannung von 13,5 V auf volle Helligkeit ausgelegt, entstehen bei Einsatz solcher Leuchten in einem 16 V-Bordnetz deutlich höhere Leistungen, da durch die Vorwiderstandsauslegung der Strom überproportional ansteigt. Die in der Leuchte vorhandenen Bauteile, wie LEDs, Widerstände, Kunststoffelemente und dergleichen, kommen hierbei an ihre Belastungsgrenzen, da die Temperatur in der Leuchte und auf den Leiterplatten infolge des überproportionalen Stromanstieges stark ansteigt. Bei den heutigen Packungsdichten der LEDs in den Leuchten müssen aus diesem Grunde Sicherheiten in die Gestaltung der Leuchten eingebaut werden. Dies führt zu einem hohen technischen Aufwand. Um ihn einigermaßen gering zu halten, wird aus diesem Grunde die Helligkeit der Leuchten bei Nominalspannung nicht voll ausgereizt. Es werden auch Kühlvorrichtungen verwendet, die aber wieder einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand bedeuten.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß die heutigen Kraftfahrzeugbordnetze immer instabiler werden. Dies ist auf die größer werdende Zahl an elektrischen Hilfssystemen mit großem Strombedarf im Kraftfahrzeug zurückzuführen. Solche elektrischen Hilfssysteme sind beispielsweise die elektrische Lenkung, die Fensterheber, eine Zusatzheizung und dergleichen. Es entstehen bei diesen Systemen häufig Spannungseinbrüche, insbesondere gerade bei schnell reagierenden LED-Leuchten. Diese Spannungseinbrüche äußern sich in deutlich sichtbaren Helligkeitsschwankungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren und die gattungsgemäße Ansteuerschaltung so auszubilden, daß bei einfacher konstruktiver Auslegung ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und bei der gattungsgemäßen Ansteuerschaltung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 7 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Leuchtmittel, das vorzugsweise eine LED ist, bei Überschreiten des vorgegebenen Strom/Spannungswertes im Pulsbetrieb betrieben. Wenn die Eingangsspannung über diesem vorgegebenen Wert liegt, wird dieser Anstieg der Eingangsspannung durch den Pulsbetrieb kompensiert. Dadurch wird ein Anstieg der Verlustleistung erheblich verringert. Aufgrund des Pulsbetriebes lassen sich Helligkeitsschwankungen des Leuchtmittels hervorragend ausregeln. Bleibt die Versorgungsspannung des Leuchtmittels unterhalb des Strom/Spannungswertes, erfolgt der Betrieb ohne Pulsen, so daß keine Helligkeit verloren geht.

Erst bei Spannungen oberhalb des vorgegebenen Strom/Spannungswertes wird mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung in den Pulsbetrieb umgeschaltet.

Zur Ansteuerung verschiedener Leuchtmittel weist der Mikrocontroller vorteilhaft entsprechende Ein- und Ausgänge auf. Es können mehrere Leuchtmittel zu einem Leuchtfeld zusammengefaßt werden. Es können in einer einzigen Leuchte mehrere Leuchtfelder vorhanden sein. So können solche Leuchtfelder beispielsweise in einer Rückleuchte eines Kraftfahrzeuges das Bremslicht, das Rücklicht oder das Blinklicht sein. Es ist auch möglich, für jeweils ein Leuchtfeld eine Leuchte vorzusehen. Die Verteilung der Leuchtmittel auf eine einzige oder auf mehrere Leuchten kann beliebig gestaltet sein. Für diese unterschiedlichen Ausbildungen reicht ein einziger Mikrocontroller aus, mit dem die verschiedenen Leuchtmittel in der beschriebenen Weise in den Pulsbetrieb umgeschaltet werden können.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
1 einen Prinzipschaltplan einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung,
2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung.
Mit der Ansteuerung werden Leuchtmittel einwandfrei angesteuert: Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein Leuchtfeld 1 mehrere in Reihe geschaltete Leuchtmittel 2 auf, die vorteilhaft LEDs sind. Das Leuchtfeld 1 ist beispielhaft mit vier in Reihe geschalteten Leuchtmit teln 2 versehen. In 1 ist beispielhaft ein weiteres Leuchtfeld 3 dargestellt, das ebenfalls mehrere in Reihe hintereinander geschaltete Leuchtmittel 4, vorzugsweise LEDs, aufweist. Auf diese Weise können weitere Leuchtfelder vorgesehen werden, die jeweils parallel zueinander geschaltet sind. In 2 ist beispielhaft noch ein drittes Leuchtfeld 5 dargestellt, das ebenfalls Leuchtmittel in Form von LEDs aufweist. Die LEDs bilden LED-Felder 1, 3, 5, die jeweils eine Lichtfunktion erfüllen.
Die Leuchtfelder 1, 3, 5 werden mit der Bordspannung des Kraftfahrzeuges versorgt. Die Bordspannung liegt üblicherweise zwischen 9 und 16 Volt. Den Leuchtfeldern 1, 3, 5 ist ein Verpolschutz 6 (1) in Form einer Sperrdiode vorgeschaltet. Die beispielhaft dargestellten Leuchtfelder können beispielsweise das Bremslicht, das Schlußlicht, das Blinklicht oder auch die Nebelschlußleuchte des Kraftfahrzeuges sein. Jedes Leuchtfeld erhält ein Spannungssignal 7 bis 9. Jedes Leuchtfeld 1, 3, 5 ist über jeweils einen Schalter 10 bis 12 an einen Mikrocontroller 13 angeschlossen. Die Schalter 10 bis 12 sind vorteilhaft Mosfets, die in noch zu beschreibender Weise zur Taktung bzw. für den Pulsbetrieb der Leuchtmittel 2, 4 der Leuchtfelder 1, 3, 5 eingesetzt werden.
Die Spannungssignale 7 bis 9 werden über jeweils eine Diode D1, D2, Dn einem Spannungsbaustein 14 zugeführt, der an den Eingang VDD des Mikrocontrollers 13 angeschlossen ist. Über die Dioden D1, D2, Dn wird ein Teil der Spannung zur Spannungsversorgung des Mikroprozessors 13 ausgekoppelt. Die für das jeweilige Leuchtfeld 1, 3, 5 gewünschte Lichtstärke wird dem Mikrocontroller 13 an den Eingängen Input 1, Input 2, Input n als Eingangssignal mitgeteilt. Den Eingängen Input 1, Input 2, Input n ist jeweils ein Widerstand R3, R5, Rnn vorgeschaltet.
Über die an den Eingängen Input 1, Input 2, Input n anliegenden Eingangssignale werden dem Mikrocontroller 13 die gewünschten Lichtanforderungswerte für das jeweilige Leuchtfeld 1, 3, 5 mitgeteilt.
Am Analogeingang 17 des Mikrocontrollers 13 steht ein fest eingestellter Teil der Eingangsspannung U_B für eine Messung zur Verfügung. Mit den Widerständen R1 und R2 kann der Teil der Eingangsspannung festgelegt werden. Aufgrund des am Analogeingang 17 anliegenden Spannungssignales kann die Helligkeit im jeweiligen Leuchtfeld jeweils kompensiert werden.
Aufgrund der an den Eingängen Input 1, Input 2, Input n am Mikrocontroller 13 anliegenden Eingangssignale erzeugt der Mikrocontroller an den Ausgängen Port 6, Port 7, Port 8 Spannungssignale, mit denen die Leuchtfelder 1, 3, 5 in der gewünschten Weise aktiviert werden.
Die Spannung, die am jeweiligen Leuchtfeld 1, 3, 5 anliegt, wird mittels des Mikrocontrollers 13 gemessen. Sobald die vom Mikrocontroller 13 gemessene Spannung über dem Nominalwert liegt, steuert der Mikrocontroller 13 den entsprechenden Schalter 10, 11, 12 an. Der Nominalwert liegt vorteilhaft etwas unterhalb der Bordnetzspannung U_B, damit bei eventuell auftretenden Lasteinbrüchen ausreichende Regelreserven zur Verfügung stehen. Sobald die Spannung über dem Nominalwert liegt, schaltet die Ansteuerschaltung in den Pulsbetrieb. Der Mikrocontroller 13 berechnet aufgrund der an den Eingängen Input 1, Input 2, Input n anliegenden Eingangsspannungen die Pulsbreite und liefert über die Ausgänge Port 6 bis Port 8 an die Schalter 10 bis 12 entsprechende Signale. Die Pulsbreite wird variabel je nach der Eingangsspannung eingestellt. Die Schalter 10 bis 12 schalten mit sehr hohen Frequenzen, die vorteilhaft über 100 Hz liegen. Dadurch treten keine Stroboskopeffekte auf, so daß die LEDs 2, 4 nicht flackern, so daß keine Helligkeitsschwankungen trotz Pulsbetrieb zu erkennen sind. Auf diese Weise wird der Verlustanstieg verringert.
In 1 ist der beschriebene Betrieb der Ansteuerschaltung schematisch dargestellt. Solange bei der Spannungsmessung festgestellt wird, daß die Versorgungsspannung der Leuchtfelder unterhalb des Nominalwertes liegt, bleiben die Schalter 10 bis 12 geschlossen. Die LEDs 2, 4 werden somit nicht gepulst betrieben, wodurch die LEDs mit der optimalen Helligkeit ihr Licht abgeben. Erst bei Spannungen, die über dem Nominalwert liegen, wird über den Mikrocontroller 13 in den Pulsbetrieb geschaltet, indem die Schalter 10 bis 12 betätigt werden. Je höher die Versorgungsspannung der Leuchtfelder 1, 3, 5 ist, desto kürzer sind die Pulse.
Die Komponenten der Ansteuerschaltung sitzen vorteilhaft in der Leuchte. Die Spannungsmessung könnte auch extern außerhalb der Leuchte erfolgen. Die entsprechenden Spannungswerte können dann über einen Bus dem Mikrocontroller 13 zugeführt werden.
Mit der beschriebenen Ansteuerschaltung kann der Anstieg der Verlustleistung bei den oberen Spannungsgrenzen erheblich verringert werden, ohne daß hierzu ein großer Aufwand betrieben werden muß.
Wird beispielsweise das Leuchtfeld 1 auf eine Nominalspannung von 13,5 Volt dimensioniert, ergibt sich hieraus eine Verlustleistung von Ptot = Ubat, nom · ILED, Soll
Der Vorwiderstand R (1) berechnet sich zu
Wird die Nominalspannung mit 13,5 Volt und die Spannung der Dioden jeweils mit 2,5 Volt angegeben, ergibt sich bei vier Dioden die Spannung U_{F, Dioden} von 10 Volt. Weiter wird angenommen, daß die Stromstärke I_{LED, Soll} 60 mA beträgt.
Aus den obigen Beziehungen ergibt sich daraus ein Vorwiderstand von 58 Ohm sowie eine Verlustleistung P_tot von 0,81 Watt.
Wird die Leuchte nunmehr bei 16 Volt ungepulst betrieben, dann ergibt sich die Verlustleistung aus Ptot = Ubat · ILED, Ist
Hierbei läßt sich die Iststromstärke wie folgt berechnen:
Wird die nominale Batteriespannung U_{bat, nom} mit 16 Volt, die Diodenspannung mit 2,5 Volt und der Vorwiderstand mit 58 Ohm angenommen, dann ergibt sich die Iststromstärke I_{LED, Ist} zu 103 mA und eine Verlustleistung P_tot von 1,65 Watt.
Dies zeigt, daß die Verlustleistung bei den oberen Spannungsgrenzen, im Beispielsfalle bei 16 Volt, um mehr als das Doppelte angestiegen ist im Vergleich zu einer Nominalspannung von 13,5 Volt.
Wird die Leuchte hingegen mit der beschriebenen Ansteuerschaltung bei 16 Volt gepulst betrieben, dann ist die Verlustleistung P_tot wesentlich geringer. Im Beispielsfall wird angenommen, daß das Verhältnis von I_LED und der Helligkeit proportional ist, beispielsweise indem die doppelte Stromstärke einer doppelten Helligkeit entspricht. Das Tastverhältnis ergibt sich zu
Das Pulsen beginnt also bei Spannungen, die über der Nominalspannung liegen. Die Verlustleistung berechnet sich zu Ptot = Ubat · ILED, Ist · D
Hierbei berechnet sich die Iststromstärke der LEDs zu
Für die Nominalbatteriespannung U_{bat, nom} wird 16 Volt, für die Diodenspannung U_{F, Dioden} 2, 5 Volt und für den Vorwiderstand R 58 Ohm angenommen. Bei einem angenommenen Tastverhältnis von D = 0,58 ergibt sich aufgrund der obigen Beziehungen eine Verlustleistung P_tot von nur 0,955 Watt. Die Verringerung der Verlustleistung durch den Pulsbetrieb beträgt somit 0,955 Watt : 1,65 Watt = 42 %.
Durch den Einsatz der Ansteuerschaltung wird im Pulsbetrieb der effektive Strom etwa konstant gehalten, so daß das jeweilige Leuchtfeld im Pulsbetrieb immer gleich hell erscheint.
Die Leuchtfelder 1, 3, 5 werden unabhängig voneinander betrieben. Je nach Eingangssignal erzeugt der Mikrocontroller 13 für jedes Leuchtfeld die entsprechende Pulsbreite für den gepulsten Betrieb. Die Leuchtfelder 1, 3, 5 können in einer einzigen Leuchte vorgesehen sein. Eine solche Leuchte kann beispielsweise die Heckleuchte eines Kraftfahrzeuges sein. Die Leuchtfelder sind dann beispielsweise das Bremslicht, das Rücklicht oder das Blinklicht. Es kann aber auch für jeweils ein Leuchtfeld eine Leuchte vorgesehen sein. Die Verteilung der Leuchtmittel 2, 4 auf eine einzige oder auf mehrere Leuchten kann beliebig gestaltet sein. So kann jedes der Leuchtfelder 1, 3, 5 mehr oder weniger als die beispielhaft dargestellten vier Leuchtmittel 2, 4 aufweisen.

Claims

Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines Leuchtmittels, vorzugsweise einer LED, mindestens einer Leuchte, bei dem das Leuchtmittel mit Strom/Spannung versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Leuchtmittel (2, 4) bei Überschreiten eines bestimmten Strom/Spannungswertes im Pulsbetrieb betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leuchtmittel (2, 4) mit variabler Pulsbreite betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsbreite in Abhängigkeit von dem Leuchtmittel (2, 4) zugeführten Strom/Spannungssignalen eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten des bestimmten Strom/Spannungswertes auf Normalbetrieb ohne Taktung umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Strom/Spannungswert unterhalb der Betriebsspannung liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz oberhalb von et wa 100 Hz liegt.
Ansteuerschaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung wenigstens einen Mikrocontroller (13) hat, dem ein Teil des dem Leuchtmittel (2, 4) zugeführten Storm/Spannungssignales zugeführt wird und der mindestens einen Ausgang (Port 6, Port 7, ...) aufweist, an den das Leuchtmittel (2, 4) unter Zwischenschaltung eines Schalters (10 bis 12) angeschlossen ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Eingang (17) des Mikrocontrollers (13) ein Teil der Betriebsspannung (U_B) anliegt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingängen (17, Input 1, Input 2, ... Input n) des Mikrocontrollers (13) Widerstände (R1, R2, ... Rnn) vorgeschaltet sind.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung des Mikrocontrollers (13) über wenigstens eine Diode (D1, D2, ... Dn) zugeführt wird.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (10 bis 12) ein Mosfet ist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leuchtmittel (2, 4) zu einem Leuchtfeld (1, 3, 5) zusammengefaßt sind.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Leuchtfeld (1, 3, 5) die Leuchtmittel (2, 4) in Reihe liegen.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leuchtfelder (1, 3, 5) an den Mikrocontroller (13) angeschlossen sind.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leuchtfelder (1, 3, 5) in einer Leuchte vorgesehen sind.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß je Leuchtfeld (1, 3, 5) eine Leuchte vorgesehen ist.