DE102004007278A1

DE102004007278A1 - Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für den Innenraum von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102004007278A1
Application number: DE102004007278A
Authority: DE
Inventors: Robert Trinschek; Ulrich Krampe; Frank Gronemeier; Siegfried Schmees
Original assignee: Goodrich Hella Aerospace Lighting Systems GmbH
Current assignee: Goodrich Lighting Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-02-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

Die Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für den Innenraum von Fahrzeugen, vorzugsweise von Flugzeugen, ist mit mehreren LED-Lichtquellen (12, 14, 16), die in Reihe geschaltet sind, und mehreren Überbrückungselementen zum elektrischen Überbrücken jeweils mindestens einer LED-Lichtquelle (12, 14, 16) der Reihenschaltung von LED-Lichtquellen versehen. Ferner ist jedes Überbrückungselement (18, 20, 22) parallel zu der mindestens einen von dem Überbrückungselement zu überbrückenden LED-Lichtquelle (12, 14, 16) geschaltet und mittels eines elektrischen Impulses von einem Sperrzustand in einen leitenden Zustand überführbar und verbleibt in diesem Zustand für die Dauer eines Stromflusses durch das Überbrückungselement. Jedes Überbrückungselement (18, 20, 22) ist von einer diesem zugeordneten Ansteuerschaltung (24, 26, 28) ansteuerbar, die parallel zu der zu überbrückenden mindestens einen LED-Lichtquelle (12, 14, 16) geschaltet ist und bei einem Überschreiten eines Schwellwerts des Spannungsabfalls über der zu überbrückenden mindestens einen LED-Lichtquelle (12, 14, 16) einen Ansteuerimpuls für das Überbrückungselement erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, die insbesondere für den Innenraum von Fahrzeugen und vorzugsweise von Flugzeugen geeignet ist und mehrere LED-Lichtquellen aufweist, die in Reihe geschaltet sind.
Eine derartige Beleuchtungsvorrichtung wird an das Gleichstrombordnetz von beispielsweise Fahrzeugen und insbesondere Flugzeugen angeschlossen. Sollen LED an die Gleichstromnetze von Fahrzeugen und insbesondere Flugzeugen angeschlossen werden, so ist es bekannt, die LED über Konstantstromquellen zu betreiben, um unterschiedlichen Vorwärtsspannungen sowie der Charakteristik der LED Rechnung zu tragen. Um die Anzahl an Konstantstromquellen gering halten zu können, ist es zweckmäßig, möglichst viele LED in Reihe zu schalten bzw. einzelne LED-Module, die eine Vielzahl von parallel geschalteten Reihenschaltungen aus einzelnen LED aufweisen, ihrerseits in Reihe zu schalten. Die Reihenschaltung der LED-Lichtquellen ist auch in dem Fall von Vorteil, wenn die Konstantstromquelle und die LED-Lichtquellen räumlich voneinander getrennt sind.
Ein gewisser Nachteil der LED-Reihenschaltung ist, dass es bei einem Defekt einer LED oder einer Unterbrechung der Leitungsverbindung innerhalb der Reihenschaltung zum kompletten Ausfall der Beleuchtungsvorrichtung kommt.

Um dies zu verhindern, sind Schaltungen bekannt, die einen Defekt einer LED-Lichtquelle erkennen und die defekte LED überbrücken. So sind beispielsweise in EP-A-1 006 506 , US-A-6 153 980 und US-A-5 459 328 Schaltungen beschrieben, die elektronische Schalter aufweisen, welche eine defekte LED einer LED-Reihenschaltung kurzschließen. Die elektronischen Schalter, bei denen es sich um Transistoren handelt, erfordern entsprechende Treiber, die eine Pegelanpassung vom eingehenden Steuersignal zur Gate-Source-Spannung (bei MOSFET-Transistor) oder zur Basis-Emitter-Spannung (bei Bipolar-Transistoren) realisieren. Dies erhöht den Aufwand der Ansteuerung und Schaltungen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass die im Stand der Technik zum Überbrücken von LED-Lichtquellen einer LED-Reihenschaltung bekannten elektronischen Schalter über ein Steuersignal angesteuert werden müssen, das auch im geschlossenen Schalterzustand aufrecht erhalten werden muss. Hierfür ist entweder eine Steuerleitung zwischen der Konstantstromquelle oder eine Erkennungslogik in der Lichtquelle erforderlich, die eine eigene Spannungsversorgung aufweisen muss.

Die zuvor beschriebenen Nachteile können umgangen werden, wenn, wie es beispielsweise aus DE-A-198 43 330 bekannt ist, parallel zu einer zu überbrückenden LED-Lichtquelle eine Zenerdiode in Sperrrichtung geschaltet wird. Die antiparallele Zenerdiode wird dann, wenn die LED-Lichtquelle ausfällt, im Durchbruch betrieben, wodurch die LED-Lichtquelle überbrückt ist. Da jedoch die Durchbruchspannung der Zenerdiode höher als die Flussspannung der zu überbrückenden LED-Lichtquelle sein muss, wird bei dieser bekannten Überbrückungsschaltung stets Verlustleistung erzeugt, was im Hinblick auf den Energiehaushalt von Nachteil ist.

Schließlich ist aus US-A-4 727 449 eine Beleuchtungsvorrichtung für Wechselspannungen bekannt, die eine Reihenschaltung von Glühlampen aufweist, wobei zu jeder Glühlampe die Reihenschaltung aus einer Diode und einem reversibel betreibbaren elektronischen Durchschaltelement wie z.B. einer DIAC-Triggerdiode parallel geschaltet ist. Die bekannte Beleuchtungsvorrichtung wird über eine Spannungsquelle, d.h. nicht über eine Stromquelle betrieben. Die Amplitude der für den Betrieb der bekannten Beleuchtungsvorrichtung vorgesehenen Wechselspannung ist dabei im Wesentlichen konstant (Konstantspannungsbetrieb). Ein gewisser Nachteil des Konstantspannungsbetriebs ist, dass bei Ausfall einer Lampe dessen Kreis überbrückt wird, so dass an den übrigen Lampen eine höhere Spannung anliegt, womit diese überlastet wer den, was letztendlich zu weiteren Ausfällen führen würde. Um dies zu verhindern, wird bei der bekannten Beleuchtungsvorrichtung in Reihe zu dem DIAC eine Diode geschaltet. Somit wird im Überbrückungsfall der Strom halbiert (Einweggleichrichtung, Halbwellenbetrieb) die Intensität der verbleibenden Leuchten sinkt dadurch merklich. Das Durchschaltelement schaltet aufgrund des Anstiegs der über einer defekten Glühlampe entstehenden Spannung automatisch ein, ohne dass es einer speziellen Ansteuerungselektronik bedarf. Wie oben erwähnt, ist das Durchschaltelement mit einer DIAC-Triggerdiode vergleichbar. Hierbei handelt es sich um einen spannungsgesteuerten Wechselspannungsschalter, der nur mit relativ großen Auslösespannungen erhältlich ist. Das heißt, dass der Schalter nicht geeignet ist, wenn mehrere defekte Kreise überbrückt werden müssen, oder aber die Betriebsspannung an sich relativ gering ist (< 70 Volt).

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung für Konstantstrom-Energieversorgungsnetze zu schaffen, die über mehrere im Schaltungsaufbau einfache, verlustleistungsarme Stromunterbrechungserkennung- und Überbrückungsschaltungen verfügt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung vorgeschlagen, die insbesondere für die Anwendung im Innenraum, von Fahrzeugen, vorzugsweise Flugzeugen gedacht ist und versehen ist mit

– mehreren LED-Lichtquellen, die in Reihe geschaltet sind, und
– mehreren Überbrückungselementen zum elektrischen Überbrücken jeweils mindestens einer LED-Lichtquelle der Reihenschaltung von LED-Lichtquellen,
– wobei jedes Überbrückungselement parallel zu der mindestens einen von dem Überbrückungselements zu überbrückenden LED-Lichtquelle geschaltet und mittels eines elektrischen Impulses von einem Sperrzustand in einen leitenden Zustand überführbar ist und in diesem Zustand für die Dauer eines Stromflusses durch das Überbrückungselement verbleibt und
– wobei jedes Überbrückungselement von einer diesem zugeordneten Ansteuerschaltung ansteuerbar ist, die parallel zu der zu überbrückenden mindestens einen LED-Lichtquelle geschaltet ist und bei einem Überschreiten eines Schwellwerts des Spannungsabfalls über der zu überbrückenden mindestens einen LED-Lichtquelle einen Ansteuerimpuls für das Überbrückungselement erzeugt.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung weist mehrere LED-Lichtquellen auf, die in Reihe geschaltet sind. Jede LED-Lichtquelle umfasst dabei mindestens eine LED. Alternativ kann jede LED-Lichtquelle auch mindestens ein LED-Modul aufweisen, bei dem es sich um eine Verschaltung einer Vielzahl von LED handelt. Im Allgemeinen weist ein LED-Modul mehrere LED-Reihenschaltungen auf, die untereinander parallel geschaltet sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den LED-Lichtquellen der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung um Hochleistungs-LED, die über eine relativ hohe Lichtausbeute verfügen.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung wird über eine Konstantstromquelle mit Energie versorgt. Zu jeder LED-Lichtquelle oder zu mehreren aufeinander folgenden LED-Lichtquellen der Reihenschaltung von LED-Lichtquellen ist ein elektronisches Überbrückungselement parallel geschaltet, das erfindungsgemäß mittels eines einmaligen Ansteuersignals von einem Sperrzustand in einen leitenden Zustand übergeht und in diesem Zustand für die Dauer des Stromflusses durch das Überbrückungselement verbleibt (z.B. Thyristor oder Triac). Die Ansteuerung jedes Überbrückungselements erfolgt durch eine diesem zugeordnete Ansteuerschaltung, die ihre Versorgungsenergie aus der Reihenschaltung von LED-Lichtquellen erhält, indem die Ansteuerschaltung parallel zu der zu überbrückenden mindestens einen LED-Lichtquelle geschaltet ist. Andere Zuleitungen zu dieser Ansteuerschaltung existieren erfindungsgemäß nicht. Insoweit handelt es sich bei dieser Ansteuerschaltung also um eine autarke Ansteuerschaltung.

Die Ansteuerschaltung weist ein einen Spannungsschwellwert bestimmendes Bauelement auf, bei dem es sich vorzugsweise um eine in Sperrrichtung ge schaltete Diode und insbesondere um eine Zenerdiode, einen Diac, einen Varistor oder eine Spannungsreferenz handelt.

Beim Ausfall der zu überbrückenden mindestens einen LED-Lichtquelle steigt über dieser der Spannungsabfall an, bis er den Spannungsschwellwert der Ansteuerschaltung überschreitet. In diesem Augenblick wird ein Ansteuerimpuls für das Überbrückungselement erzeugt, der daraufhin irreversibel durchschaltet.

Aufgrund der Durchschaltung des Überbrückungselements fällt die Betriebsspannung der Ansteuerschaltung (Spannungsabfall) über der zu überbrückenden (mindestens einen) LED-Lichtquelle wieder ab. Der Kurzschluss über der ausgefallenen LED-Lichtquelle bleibt für die Dauer des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung aufrecht erhalten, ohne dass es der Aufrechterhaltung des Ansteuerimpulses bzw. Ansteuersignals bedarf. Neben diesem Vorteil ist als weiterer Vorteil die geringe Verlustleistung der erfindungsgemäßen Stromunterbrechungserkennungs- und Überbrückungsschaltung gegenüber Schaltungen mit antiparallel geschalteten Zenerdioden sowie der Umstand zu nennen, dass für die Ansteuerschaltungen keine eigenen Spannungsversorgungen notwendig sind.

In vorteilhafter Weiterbildung der Endung ist vorgesehen, dass jede Ansteuerschaltung einen Ansteuertransistor zum Ansteuern des Überbrückungselements aufweist, wobei mit der Steuerelektrode des Transistors (Basis im Falle eines Bipolar-Transistors und Gate im Falle eines MOSFET) das den Schwellwert bestimmende Bauelement gekoppelt ist. Alternativ kann anstelle des Transistors in dem zum Überbrückungselement parallelen Zweig der Ansteuerschaltung lediglich eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Diode, Zenerdiode, Diac, Varistor oder Spannungsreferenz angeordnet sein, wobei der Knotenpunkt zwischen dem Widerstand und der Diode, Zenerdiode, Diac, Varistor oder Spannungsreferenz mit dem Ansteuereingang des Überbrückungselements verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, in der ein Schaltungskonzept zur autarken Stromunterbrechungserkennung und Überbrückung einzelner LED einer LED-Reihenschaltung dargestellt ist, näher erläutert.
Die Beleuchtungsvorrichtung 10 weist mehrere in Reihe geschaltete insbesondere Hochleistungs-LED 12, 14, 16 auf, durch die ein von einer Gleichstromquelle 11 erzeugter Gleichstrom fließt und über denen während des Betriebs jeweils eine Vorwärtsspannung U_F abfällt. Parallel zu jeder LED 12, 14, 16 ist ein elektronisches Überbrückungselement in Form eines Thyristors 18, 20, 22 geschaltet, wobei jeder Thyristor 18, 20, 22 über eine ihm zugeordnete Ansteuerschaltung 24, 26, 28 angesteuert wird. Obwohl in der Zeichnung lediglich drei LED 12, 14, 16 mit jeweils parallel geschaltetem Thyristor 18, 20, 22 und Ansteuerschaltung 24, 26, 28 dargestellt sind, ist bei 30 angedeutet, dass die Beleuchtungsvorrichtung 10 mindestens zwei und insbesondere mehr als die drei zuvor beschriebenen Einheiten aus LED, Thyristor und Ansteuerschaltung aufweist bzw. aufweisen kann.
Der Aufbau einer der Ansteuerschaltungen 24 ist in der Zeichnung dargestellt, die anderen Ansteuerschaltungen 26 und 28 sind identisch aufgebaut. Jede Ansteuerschaltung 24, 26, 28 erhält ihre Energieversorgung als Spannungsabfall über der ihr zugeordneten LED 12, 14 bzw. 16. Jede Ansteuerschaltung weist einen Ansteuertransistor 32 auf, zu dessen Strompfad (Emitter-Kollektor-Strecke im Falle eines Bipolar-Transistors und Drain-Source-Strecke im Falle eines MOSFET) ein Spannungsteiler aus zwei hintereinander geschalteten Widerständen 34, 36 in Reihe geschaltet ist. Parallel zu dieser Reihenschaltung befindet sich eine Reihenschaltung aus einer in Sperrrichtung geschalteten Zenerdiode 38 sowie einem Spannungsteiler aus zwei Widerständen 40 und 42. Die Steuerelektrode des Ansteuertransistors 32 (Basis im Falle eines Bipolar-Transistors und Gate im Falle eines MOSFET) ist mit dem Schaltungsknotenpunkt 44 zwischen den beiden Widerständen 40 und 42 verbunden, während der Schaltungsknotenpunkt 46 zwischen den Widerständen 34 und 36 mit der Ansteuerelektrode des Thyristors 18 verbunden ist.
Im Falle einer ordnungsgemäß arbeitenden LED 12, 14, 16 ist der Spannungsabfall U_F kleiner als die durch die Zenerdiode 38 bestimmte Schaltschwelle der Ansteuerschaltung 24. Die Ansteuerschaltung 24 erzeugt also keinen Ansteuerimpuls für den der zu überbrückenden LED 12, 14, 16 zugeordneten Thyristor 18, 20 bzw. 22, weshalb dieser im Sperrzustand verbleibt. Ist beispielsweise die LED 12 unterbrochen, so steigt die Spannung U_F über dieser LED an. Die durch die Wahl der Zenerdiode 38 festgelegte Schaltschwelle wird überschritten, so dass sich an der Steuerelektrode des Ansteuertransistors 32 ein Potential einstellt, das diesen in den Schaltzustand versetzt. Nun kommt es zu einem Stromfluss durch den Spannungsteiler aus den Widerständen 34 und 36 und damit zu einem Potential an der Ansteuerelektrode des Thyristors 18, das diesen durchschaltet. Damit verringert sich aber schlagartig der Spannungsabfall U_F und damit die Versorgungsspannung für die Ansteuerschaltung 24, weshalb diese die Generierung des Ansteuersignals für den Thyristor 18 beendet, so dass insgesamt von der Ansteuerschaltung 24 lediglich ein Ansteuerimpuls zum Zünden des Thyristors 18 erzeugt wird. Der einmal gezündete Thyristor 18 bleibt für die Einschaltdauer der Beleuchtungsvorrichtung 10 in seinem leitenden Zustand, wodurch die LED 12 elektrisch überbrückt bleibt.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für den Innenraum von Fahrzeugen, vorzugsweise von Flugzeugen, mit – mehreren LED-Lichtquellen (12, 14, 16), die in Reihe geschaltet sind, und – mehreren Überbrückungselementen zum elektrischen Überbrücken jeweils mindestens einer LED-Lichtquelle (12, 14, 16) der Reihenschaltung von LED-Lichtquellen, – wobei jedes Überbrückungselement (18, 20, 22) parallel zu der mindestens einen von dem Überbrückungselements zu überbrückenden LED-Lichtquelle (12, 14, 16) geschaltet ist und mittels eines elektrischen Impulses von einem Sperrzustand in einen leitenden Zustand überführbar ist und in diesem Zustand für die Dauer eines Stromflusses durch das Überbrückungselement verbleibt und – wobei jedes Überbrückungselement (18, 20, 22) von einer diesem zugeordneten Ansteuerschaltung (24, 26, 28) ansteuerbar ist, die parallel zu der zu überbrückenden mindestens einen LED-Lichtquelle (12, 14, 16) geschaltet ist und bei einem Überschreiten eines Schwellwerts des Spannungsabfalls über der zu überbrückenden mindestens einen LED-Lichtquelle (12, 14, 16) einen Ansteuerimpuls für das Überbrückungselement (18, 20, 22) erzeugt.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ansteuerschaltung (24, 26, 28) ein den Schwellwert bestimmendes Bauelement aufweist, bei dem es sich insbesondere um eine Diode, vorzugsweise Zenerdiode (38), ein Diac, eine Spannungsreferenz oder einen Varistor handelt.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungselement (18, 20, 22) als Thyristor oder als Triac ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ansteuerschaltung (24, 26, 28) einen Ansteuertransistor (32) zum Ansteuern des jeweiligen Überbrückungselements (18, 20, 22) aufweist, wobei parallel zum Ansteuertransistor (32) ein den Schwellwert bestimmendes Bauelement geschaltet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwellwert bestimmende Bauelement eine in Sperrrichtung geschaltete Diode, insbesondere eine Zenerdiode (38) ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede LED-Lichtquelle (12, 14, 16) mindestens eine LED und insbesondere mindestens ein LED-Modul mit einer Vielzahl von LED aufweist.