DE102004045515A1

DE102004045515A1 - Beleuchtungssystem mit mindestens zwei Lichtquellen und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Beleuchtungssystems

Info

Publication number: DE102004045515A1
Application number: DE102004045515A
Authority: DE
Inventors: Alois Biebl; Stefan Hackenbuchner; Günther Hirschmann; Reinhard Dr. Weitzel
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2006-03-30
Also published as: KR20060051195A; CA2520233A1; JP2006093133A; CN1770945A; EP1641323A1; US20060061300A1; US7288900B2; TW200621089A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem mit mindestens zwei Lichtquellen, von denen mindestens eine Lichtquelle eine LED (11) umfasst, wobei es weiterhin umfasst eine Treibervorrichtung (22), die ausgelegt ist, zumindest die eine LED (11) mit einem Gleichstromsignal zu betreiben; eine Sensorvorrichtung (12), mit der mindestens ein Merkmal des von dem Beleuchtungssystem abgegebenen Lichts ermittelbar ist; eine Istwert-Speichervorrichtung (14), die mit der Sensorvorrichtung (12) verbunden ist und in der ein Istwert des mindestens einen Merkmals ablegbar ist; eine Sollwert-Vorgabevorrichtung (18), in der ein Sollwert des mindestens einen Merkmals ablegbar ist; eine Regelvorrichtung (16), die eingangsseitig mit der Istwert-Speichervorrichtung zur Übermittlung des Istwerts des mindestens einen Merkmals und mit der Sollwert-Vorgabevorrichtung (18) zur Übermittlung des Sollwerts des mindestens einen Merkmals verbunden ist und die ausgelegt ist, an ihrem Ausgang ein Steuerungssignal an die Treibervorrichtung (22) bereitzustellen, derart, dass die Treibervorrichtung eine Charakteristik des zur Ansteuerung der mindestens einen LED (11) verwendeten Gleichstromsignals derart verändert wird, dass sich der Istwert dem Sollwert annähert. Sie betrifft überdies ein Verfahren zum Betreiben eines Beleuchtungssystems mit mindestens zwei Lichtquellen, von denen mindestens eine Lichtquelle eine LED (11) umfasst, folgende Schritte umfassend: a) Ermitteln des Istwerts ...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem mit mindestens zwei Lichtquellen, von denen mindestens eine Lichtquelle eine LED umfasst. Sie betrifft überdies ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Beleuchtungssystems.

Beleuchtungssysteme der genannten Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, wobei die einfachste Methode LEDs zu betreiben darin besteht, die LED zusammen mit einem Vorwiderstand an eine Gleichstromquelle anzuschließen. Der Vorwiderstand dient zur Strombegrenzung des Leuchtdiodenstroms I_F (Durchlassstrom). Durch Veränderung des Vorwiderstands lässt sich der Durchlassstrom I_F variieren, wodurch die Helligkeit des von den Leuchtdioden abgestrahlten Lichts ebenfalls variiert wird. Auf diese einfache Art und Weise kann die Dimmfähigkeit eines Systems, welches Leuchtdioden und andere Leuchtmittel als Lichtquelle umfassen kann, erreicht werden. Ein Problem besteht allerdings darin, dass bei manchen LEDs, insbesondere bei InGaN-LEDs, ein mehr oder wenig großer Zusammenhang zwischen der Stromstärke des Durchlassstroms I_F und der dazugehörigen Wellenlänge des emittierten Lichts besteht. In Abhängigkeit des Durchlassstroms I_F tritt hier eine Wellenlängen- oder Farbortverschiebung auf, d. h. beim Dimmen ändert sich gleichzeitig die Wellenlänge und damit die Farbe des emittierten Lichts.

Zum Farbort: Beim Normvalenzsystem wird eine Farbe als Summe dreier Mischungswerte, der sogenannten Normfarbwerte X, Y, Z (DIN 5033) beschrieben. Häufig werden zur zweidimensionalen Darstellung auch die Normfarbwertanteile Cx und Cy angegeben, wobei Cx = X/(X + X + Z) und Cy = Y/(X + Y + Z) ist. Bei der grafischen Darstellung der Farbart in einer zweidimensionalen Farbtafel dienen Cx und Cy als rechtwinklige Koordinaten der sogenannten Farborte.

Am eindrucksvollsten kann das Phänomen der Farbortverschiebung bei grünen LEDs beobachtet werden. Bei dem Typ LT E673 (Power TOPLED) beträgt die dominante Wellenlänge bei einem Durchlassstrom von 3 mA über 540 nm und sinkt bei Anstieg des Durchlassstroms auf 90 mA unter 512 nm. Bei einer LED von Typ LW W5SG (Dragon) ändert sich der Farbort, definiert durch Cx und Cy, von Cx = 0,322 und Cy = 0,316 bei einem Durchlassstrom von 100 mA auf Cx = 0,316 und Cy = 0,301 bei einem Durchlassstrom I_F = 1000 mA.

Im Stand der Technik wird zur Lösung dieses Problems, d. h. zum Konstanthalten des Farborts des von der LED emittierten Lichts, das Prinzip der Pulsweitenmodulation angewandt. Dabei wird eine LED immer mit demselben Durchlassstrom I_Fmax über eine Periodendauer T ein- und wieder ausgeschaltet. Das Tastverhältnis, das sich berechnet aus dem Quotienten der Einschaltzeit t_p dividiert durch die Periodendauer T, bestimmt die Helligkeit des von der LED abgestrahlten Lichts. Ein großes Tastverhältnis führt zu einer hell leuchtenden LED, ein kleines Tastverhältnis umgekehrt zu einer schwächer leuchtenden LED. Hierbei wird die Integration des von der LED emittierten Lichts durch das menschliche Auge vorgenommen. Bei Periodendauern T kürzer als 10 ms wird das Licht vom Auge als kontinuierlich registriert. Bei größeren Periodendauern kann durch das Auge ein Flackern des Lichts wahrgenommen werden.

Bei kleinen Leistungen stellt diese aus dem Stand der Technik bekannt Ansteuerung kein Problem dar. Wird jedoch zu größeren Leistungen übergegangen, wie es bei Lampen für die Allgemeinbeleuchtung oder einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug erforderlich ist, kann es zu unerwünschten Störungen kommen. Dabei kommen im Wesentlichen zwei Arten von Störungen in Betracht, nämlich Funkstörungen (EMV) sowie leitungsgebundene Störungen.

Zur Verhinderung von derartigen elektromagnetischen Störungen sieht beispielsweise die entsprechende Norm von BMW vor, dass die Anstiegsflanke im getakteten Betrieb maximal 20 mA/μs beträgt. Wird diese Grenze eingehalten, so ergeben sich sehr lange Ein- und Ausschaltzeiten und damit verbunden sehr hohe Schaltverluste. Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen muss man sich also für eines der Übel entscheiden, entweder Störungen oder Farbortverschiebungen oder hohe Schaltverluste.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungssystem der eingangs genannten Art bzw. das eingangs genannte Verfahren derart weiterzubilden, dass die Helligkeit variiert werden kann, wobei jedoch, ohne dass Störungen oder hohe Schaltverluste auftreten, der Farbort weitgehend konstant bleibt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Beleuchtungssystem mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 14.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass zunächst zur Vermeidung von Störungen vom getakteten Betrieb zum DC-Betrieb gewechselt wird. Die sich bei DC-Ansteuerung im Dimmbetrieb einstellende Farbortveränderung wird jedoch erfindungsgemäß erfasst und das zur Ansteuerung der mindestens einen LED verwendete Gleichstromsignal derart geändert, dass sich die gewünschte Helligkeit einstellt, wobei der Farbort weitgehend unverändert geblieben ist.

Dadurch, dass in dem Beleuchtungssystem mindestens zwei Lichtquellen verwendbar sind, deren Licht unterschiedliche Spektren aufweisen, lassen sich, je nach dem welche Anforderungen bestehen bzw. welcher Aufwand betrieben wird, Farbortverschiebungen des von dem Beleuchtungssystem emittierten Lichts durch unterschiedliche Ansteuerung der einzelnen Lichtquellen, aus denen das Beleuchtungssystem gebildet ist, gewünschte Farbortverschiebungen des vom Beleuchtungssystem abgegebenen Lichts, welches sich aus dem Licht der einzelnen Lichtquellen zusammensetzt, erzielen. Wenn in einem einfachen Ausführungsbeispiel beispielsweise das Beleuchtungssystem mehrere LEDs umfasst, die Licht unterschiedlicher Farborte emittieren, beispielsweise rotes, grünes und blaues Licht, so kann eine beim Dimmen bewirkte Farbortverschiebung korrigiert werden, wenn die einzelnen LEDs nach dem Dimmen mit geänderten Parametern angesteuert werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensorvorrichtung mindestens einen Spannung-Frequenz-Konverter umfasst. Insbesondere in Verbindung mit entsprechenden Filtervorrichtungen, beispielsweise für den blauen, den roten und den grünen Spektralbereich des vom Beleuchtungssystem abgegebene Lichts, lassen sich die in einem bestimmten Spektralbereich liegenden Lichtanteile durch Zählen der vom jeweiligen Spannung-Frequenz-Konverter abgegebenen Impulse ermitteln. Umfasst die Regelvorrichtung einen Mikroprozessor, der mit dem Ausgang des mindestens einen Spannung-Frequenz- Konverters verbunden ist, so kann dieser die Impulse im Ausgangssignal des mindestens einen Spannung-Frequenz-Konverters zählen, ohne dass die Zwischenschaltung eines A/D-Wandlers nötig wäre. Die Normfarbwerte X, Y, Z werden so in einfacher Weise als Anzahl Impulse pro Zeiteinheit wiedergespiegelt. Daraus lassen sich, siehe oben, die Normfarbwertanteile Cx und Cy bestimmen. Alternativ können von den Filtervorrichtungen Spannungssignale bereitgestellt werden, die vom Mikroprozessor unter Zwischenschaltung mindestens eines A/D-Wandlers ausgewertet werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem kann neben der mindestens einen Lichtquelle, die mindestens eine LED umfasst, mindestens eine weitere Lichtquelle vorhanden sein, die bevorzugt aus folgenden Typen ausgewählt werden kann: LED, Leuchtstofflampe, Halogen-Glühlampe, Hochdruckentladungslampe. Das mindestens eine Merkmal des von dem Beleuchtungssystem abgegebenen Lichts kann die Farbtemperatur und/oder die Helligkeit und/oder der Farbort sein.

Weiterhin bevorzugt kann auch vorgesehen werden, dass die Sollwert-Vorgabevorrichtung eine Schnittstelle aufweist, in die von einer Bedienperson mindestens ein Sollwert eingegeben oder mindestens ein Sollwert aus einer Anzahl in der Sollwert-Vorgabevorrichtung bereits abgelegter Sollwerte ausgewählt werden kann. Dadurch kann dieselbe Beleuchtung eines Raums zur Erzeugung unterschiedlicher Stimmungen genutzt werden. Bei einem Betrieb in einem Kraftfahrzeug können länderspezifische Farbtemperaturen oder Modefarben, z. B. Cool Blue, realisiert werden.

Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Komponenten des Beleuchtungssystems für einen Betrieb in einem Kraftfahrzeug ausgelegt sind, insbesondere die für den Betrieb der Komponenten benötigte Versorgungsspannung, sowie die Qualität des von dem Beleuchtungssystem abgegebenen Lichts. Da mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem die Helligkeit unabhängig von der Farbtemperatur eingestellt werden kann, lassen sich dadurch dimmbare Frontscheinwerfer realisieren. Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung für Tagfahrlicht, welches in vielen Ländern bereits vorgeschrieben ist. Bisher werden für Frontscheinwerfer Halogenlampen mit einer Farbtemperatur von beispielsweise 3200 K für H4-Lampen oder Hochdruckentladungslampen (D2/D1-Lampen) mit einer Farbtemperatur von 4200 K eingesetzt, mit denen auch ein Betrieb als Tagfahrlicht möglich ist. Der Nachteil besteht darin, dass die Lebensdauer sehr begrenzt ist. Diese beträgt für Halogenlampen mehrere 100 Std., für D2/D1-Lampen ca. 3.000 Std. Bisher waren LEDs, die eine Lebensdauer von typischer weise mehr als 10.000 Std. aufweisen, als Frontscheinwerfer mit Taglichtoption unter anderem aufgrund der besagten unerwünschten Farbortverschiebungen nicht einsetzbar.

Die Treibervorrichtung kann ausgelegt sein, alle Lichtquellen des Beleuchtungssystems zu betreiben. Alternativ können die Lichtquellen des Beleuchtungssystems, insbesondere gruppiert nach Typen, auch unabhängig voneinander angesteuert werden.

In der Treibervorrichtung können Parameter zum Betreiben der Lichtquellen abgelegt sein für den Fall, dass die Sensorvorrichtung und/oder die Istwert-Speichervorrichtung und/oder die Sollwert-Vorgabevorrichtung ausfällt. Dabei kann vorgesehen werden, dass die Ansteuerung der Lichtquellen so erfolgt, dass sie mit voreingestellten Werten weißes Licht ergeben. Alternativ kann vorgesehen sein, dass für den Fehlerfall eine Farbtemperatur vom Benutzer vordefiniert und beispielsweise in einer Speichereinheit hinterlegt ist.

Die Ermittlung des mindestens einen Merkmals des von dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem abgegebenen Lichts kann völlig unabhängig von der Ansteuerung der mindestens einen LED erfolgen. Bei einem pulsweitenmodulierten Betrieb der LED müsste die Ermittlung des jeweiligen Merkmals unter Erhöhung der Komplexität genau dann erfolgen, wenn die entsprechende LED eingeschaltet ist. Demgegenüber zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem durch einfachere Realisierbarkeit und eine erhöhte Zuverlässigkeit aus.

Nicht nur im Zusammenhang mit der Realisierung eines Tagfahrlichts bzw. eines Standlichts bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems in einem Kraftfahrzeug, sondern auch bei einem allgemeinen Beleuchtungssystem, beispielsweise zur Beleuchtung eines Wohnraums, kann ein Sollwert einer Dimmstellung des Beleuchtungssystems entsprechen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen zu finden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die eine Figur enthält, näher beschrieben. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems. Es umfasst mehrere Lichtquellen, die in einem Block 10 zusammengefasst sind, wobei mindestens eine Lichtquelle – wie schematisch dargestellt – eine LED 11 ist, die mit einem Gleichstromsignal betrieben wird. Das vom Block 10 abgegebene Licht wird von einer Sensorvorrichtung 12 erfaßt, mit der mindestens ein Merkmal des von dem Beleuchtungssystem abgegebenen Lichts ermittelbar ist. Als Merkmale kommen in Betracht die Farbtemperatur, die Helligkeit oder der Farbort. Das mindestens eine von der Sensorvorrichtung 12 ermittelte Merkmal wird in einer Istwert-Speichervorrichtung 14 abgelegt. Die Istwert-Speichervorrichtung 14 kann zur Speicherung der Werte mehrerer Merkmale ausgelegt sein. Der Istwert des mindestens einen Merkmals wird einer Regelvorrichtung 16 bereitgestellt. Diese erhält weiterhin einen Sollwert des mindestens einen Merkmals von einer Sollwert-Vorgabevorrichtung 18 bereitgestellt. Auch diese kann zur Speicherung einer Vielzahl von Werten von Merkmalen ausgelegt sein. Diese weist eine Schnittstelle 20 auf, über die von einer Bedienperson mindestens ein Sollwert eingegeben werden kann oder mindestens ein Sollwert aus einer Anzahl in der Sollwert-Vorgabevorrichtung 18 bereits abgelegter Sollwerte ausgewählt werden kann. Die Regelvorrichtung 16 vergleicht den Sollwert des mindestens einen Merkmals mit dem Istwert des mindestens einen Merkmals und stellt an ihrem Ausgang ein Steuerungssignal an eine Treibervorrichtung 22 bereit, derart, dass die Treibervorrichtung eine Charakteristik des zur Ansteuerung der mindestens einen LED verwendeten Gleichstromsignals ändert, dass sich der Istwert des mindestens einen Merkmals dem Sollwert des mindestens einen Merkmals annähert. Wie bereits erwähnt, können im Block 10 ausschließlich LEDs als Lichtquellen vorhanden sein, es können jedoch auch LEDs mit anderen Arten von Lichtquellen, beispielsweise Hochdruckentladungslampen, Halogen-Glühlampen, Leuchtstofflampen, kombiniert werden. Die Treibervorrichtung 22 kann ausgelegt sein, lediglich die für die Ansteuerung der mindestens einen LED verwendeten Signale zu ändern, sie kann jedoch auch ausgelegt sein, auch die Ansteuersignale der anderen Lichtquellen zu modifizieren. In der Sensorvorrichtung 12 ist schematisch eine Filtervorrichtung 24 und ein Spannung-Frequenz-Konverter 26 dargestellt. Bevorzugt sind drei derartige Kombinationen aus Filtervorrichtung 24 und Spannung-Frequenz-Konverter 26 vorhanden, um die Normfarbwerte X, Y, Z zu ermitteln. Die Ausgangssignale der drei Spannung-Frequenz-Konverter 26 werden einem Mikroprozessor zugeführt, der durch Zählen der Impulse auf einfache Weise die Normfarbwerte X, Y, Z ermittelt. Optional kann vorgesehen werden, dass der Mikroprozessor aus den Normfarbwerten X, Y, Z die Normfarbwertanteile Cx und Cy berechnet.

Claims

Beleuchtungssystem mit mindestens zwei Lichtquellen, von denen mindestens eine Lichtquelle eine LED (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin umfasst: – eine Treibervorrichtung (22), die ausgelegt ist, zumindest die eine LED (11) mit einem Gleichstromsignal zu betreiben; – eine Sensorvorrichtung (12), mit der mindestens ein Merkmal des von dem Beleuchtungssystem abgegebenen Lichts ermittelbar ist; – eine Istwert-Speichervorrichtung (14), die mit der Sensorvorrichtung (12) verbunden ist und in der ein Istwert des mindestens einen Merkmals ablegbar ist; – eine Sollwert-Vorgabevorrichtung (18), in der ein Sollwert des mindestens einen Merkmals ablegbar ist; – eine Regelvorrichtung (16), die eingangsseitig mit der Istwert-Speichervorrichtung zur Übermittlung des Istwerts des mindestens einen Merkmals und mit der Sollwert-Vorgabevorrichtung (18) zur Übermittlung des Sollwerts des mindestens einen Merkmals verbunden ist, und die ausgelegt ist, an ihrem Ausgang ein Steuerungssignal an die Treibervorrichtung (22) bereitzustellen, derart, dass die Treibervorrichtung eine Charakteristik des zur Ansteuerung der mindestens einen LED (11) verwendeten Gleichstromsignals derart verändert wird, dass die sich der Istwert dem Sollwert annähert.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik des Gleichstromsignals dessen Amplitude ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (12) mindestens einen Spannung-Frequenz-Konverter (26) umfasst.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spannung-Frequenz-Konverter (26) zur Ermittlung des Istwerts des mindestens einen Merkmals des von dem Beleuchtungssystem abgegebenen Lichts mit mindestens einer Filtervorrichtung (24) verbunden ist.
Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (12) einen Mikroprozessor umfasst, der mit dem Ausgang des mindestens einen Spannung-Frequenz-Konverters (26) verbunden ist, insbesondere zum Zählen der Impulse im Ausgangssignal des mindestens einen Spannung-Frequenz-Konverters (26).
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der mindestens einen Lichtquelle, die mindestens eine LED (11) umfasst, mindestens eine weitere Lichtquelle vorhanden ist, die vom folgenden Typ ist: – LED; – Leuchtstofflampe; – Halogen-Glühlampen; – Hochdruckentladungslampe.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmale des von dem Beleuchtungssystems abgegebenen Lichts die Farbtemperatur und/oder die Helligkeit und/oder der Farbort ist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem mindestens zwei LEDs umfasst, die Licht unterschiedlicher Farbe abgeben.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwert-Vorgabevorrichtung (18) eine Schnittstelle (20) aufweist, in die von einer Bedienperson mindestens ein Sollwert eingegeben oder mindestens ein Sollwert aus einer Anzahl in der Sollwert-Vorgabevorrichtung (18) bereits abgelegter Sollwerte ausgewählt werden kann.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibervorrichtung (22) ausgelegt ist, alle Lichtquellen des Beleuchtungssystems zu betreiben.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Treibervorrichtung (22) Parameter zum Betreiben der Lichtquellen abgelegt sind für den Fall, dass die Sensorvorrichtung (12) und/oder die Istwert-Speichervorrichtung (14) und/oder die Sollwert-Vorgabevorrichtung (18) ausfällt.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Beleuchtungssystems für einen Betrieb in einem Kraftfahrzeug ausgelegt sind, insbesondere die für den Betrieb der Komponenten benötigte Versorgungsspannung, die Qualität des von dem Beleuchtungssystems abgegebenen Lichts.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert einer Dimmstellung des Beleuchtungssystems entspricht.
Verfahren zum Betreiben eines Beleuchtungssystems mit mindestens zwei Lichtquellen, von denen mindestens eine Lichtquelle eine LED (11) umfasst, folgende Schritte umfassend: a) Ermitteln des Istwerts mindestens eines Merkmals des von dem Beleuchtungssystem abgegebenen Lichts; b) Vergleichen des Istwerts des mindestens einen Merkmals mit einem vorgebbaren Sollwert des mindestens einen Merkmals; c) Ansteuerung der mindestens einen LED mit einem Gleichstromsignal derart, dass sich der Istwert dem Sollwert annähert.