DE102005016729B3

DE102005016729B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer weißen Lumineszenzdiode

Info

Publication number: DE102005016729B3
Application number: DE102005016729A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Thorenz; Arne Burghardt
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer weißen Lumineszendiode, die eine gepulste Stromquelle umfasst, von der in Abhängigkeit von einem Steuersignal ein Strom mit einer vorgegebenen ersten Frequenz (f1) pulsförmig durch die Lumineszenzdiode (1) fließt, wobei die Lichtausbeute der Lumineszenzdiode (1) durch das Verhältnis der Pulsdauer (D) zu der Pausendauer in der Pulsfolge bestimmt wird. DOLLAR A Um die Stromversorgung mit Dimmer-Funktion je nach verwendeter Lumineszenzdiode einfach und ohne eine aufwendige Steuerung anpassen zu können, so dass immer der optimale Nennstrom durch die Lumineszenzdiode fließt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass außerdem in Abhängigkeit von einem Steuersignal mit einer vorgegebenen zweiten Frequenz (f2) ein Nennstrom durch die Lumineszenzdiode (1) fließt, wobei dessen Größe zum Zeitpunkt der Pulsdauer der ersten Frequenz (f1) durch das Puls-Pausen-Verhältnis der zweiten Frequenz (f2) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Lumineszenzdiode nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. von Anspruch 4. Insbesondere betrifft die Erfindung das Dimmen einer weißen LED bei verschiedenen Nennströmen.

Im Stand der Technik wird für die Ansteuerung von Leselampen mit Lumineszenzdioden (lichtemittierende Dioden, LED) in der Regel eine steuerbare Stromquelle verwendet, deren Prinzip auf der Änderung des Strombetrages beruht. Die Helligkeit der Lumineszenzdiode ist hierbei proportional zum Strom, der durch die Lumineszenzdiode fließt. Bei weißen Lumineszenzdioden hat aber eine Änderung des Strombetrages neben der Helligkeitsänderung auch eine Änderung der Lichtfarbe zur Folge. Wenn man also den Strom durch die Lumineszenzdiode verändert, um ihre Helligkeit anzupassen, kommt es an beleuchteten Objekten zu Farbverfälschungen. Zur Ansteuerung weißer Lumineszenzdioden werden daher Dimmer-Schaltungen eingesetzt, mit denen ein konstanter Strom (Nennstrom) mit einer gegebenen Frequenz pulsförmig ein- und ausgeschaltet wird, der dann durch die Lumineszenzdiode fließt. Bei dieser Pulsbreitenmodulation (PWM) des Stromes durch die Lumineszenzdiode ist die durch das menschliche Auge wahrgenommene Helligkeit proportional zum Verhältnis der Zeitdauer der Pulse zu der Zeitdauer der Pausen des geschalteten Stromes. Eine Farbänderung im Licht der Lumineszenzdiode tritt nicht mehr auf.

Eine Schaltung der beschriebenen Art zum Ansteuern einer Lumineszenzdiode ist aus US 6 580 309 bekannt. Diese Schaltung dient als Stromversorgung für eine Lumineszenzdiode und umfasst eine Versorgungseinheit, mit der die Lumineszenzdiodenvorrichtung verbunden werden kann, und eine Pulssteuerungseinheit, die die Versorgungseinheit mit einer Pulsfrequenz ein- und ausschalten kann, um so die Lichtausbeute einzustellen. Insbesondere ist die Pulssteuerungseinheit mit einem Pulsbreitenmodulator zur Einstellung der Pulsdauer versehen, während der die Versorgungseinheit arbeitet.

Ferner ist aus US 2003/0085749 A1 eine Stromversorgung für ein LED-Modul bekannt, bei dem ein Schaltelement für die Versorgung des LED-Moduls mit einem Konstantstrom vorgesehen ist. Ein zusammengesetztes Schaltsignal, das aus niederfrequenten Kämmen hochfrequenter Pulse besteht, liegt an dem Schaltelement an. Durch Anpassung der niederfrequenten Komponente des zusammengesetzten Schaltsignals kann der mittlere Strom durch das LED-Modul variiert werden, um so die Lichtintensität des von dem LED-Modul erzeugten Lichtes zu verändern.

Aus DE 199 30 343 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtkörpers bekannt. Die Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtkörpers umfasst einen ersten Impulsgenerator, ein Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquelle und ein Mittel zum Ankoppeln des Leuchtkörpers. Mittels des Impulsgenerators ist eine Impulsfolge generierbar, die eine Frequenz von mehr als 10 Hz aufweist.

In US 2004/0233663 A1 wird ein Hintergrundbeleuchtungssystem für einen Anzeigeschirm beschrieben. Bei diesem ist eine Platine mit elektronischen Komponenten für die Stromversorgung von einer Reihe von Lichtquellen so nah wie möglich an den Lichtquellen angeordnet, um parasitäre Energieverluste zu minimieren, die sich sonst aufgrund der Längsausdehnung der Verdrahtungen ergeben würden.

In US 2004/0251854 A1 wird eine Stromversorgung für ein Lichtmodul beschrieben. Bei dieser sind ein Steuerschaltkreis für das Ein- und Ausschalten einer Gleichspannung von einem DC/DC-Wandler und ein Rückkopplungsschaltkreis für die Rückkopplung der Rückkopplungsspannung zu dem DC/DC-Wandler vorgesehen, die miteinander synchron gesteuert werden. Synchron zu einem Übergang eines PWM-Signals von hoch zu niedrig wird der Steuerschaltkreis unmittelbar ausgeschaltet sowie eine Schaltspannung unmittelbar von dem Rückkopplungsschaltkreis an den DC/DC-Wandler angelegt. Synchron zu einem Übergang des PWM-Signals von niedrig zu hoch wird der Steuerschaltkreis unmittelbar eingeschaltet, um eine Gleichspannung von dem DC/DC-Wandler an eine Lichtquelle anzulegen, sowie der DC/DC-Wandler in den Boost-Betrieb versetzt, und eine Rückkoppelspannung wird in Abhängigkeit von einer Detektorspannung von dem Rückkopplungsschaltkreis an den DC/DC-Wandler angelegt.

Bei dem Stand der Technik bleibt außer Acht, dass beim Einsatz von Halbleiterbauelementen deren Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden müssen. Im Fall von weißen Lumineszenzdioden führen diese Fertigungstoleranzen dazu, dass eine Vorauswahl der Lumineszenzdioden vorgenommen werden muss, wenn die Stromversorgung für die Lumineszenzdioden nur für einen Nennstrom ausgelegt ist. Alternativ müssten die ausgelieferten Lumineszenzdioden zum Erreichen einer äquivalenten Lichtausbeute bei verschiedenen Nennströmen betrieben werden. Eine automatische Anpassung der Stromversorgung ist jedoch mit einem entsprechend hohen Schaltungs- und/oder Steuerungsaufwand verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromversorgung mit Dimmer-Funktion zu schaffen, die sich je nach verwendeter Lumineszenzdiode einfach und ohne eine aufwendige Steuerung anpassen lässt, so dass immer der optimale Nennstrom durch die Lumineszenzdiode fließt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 bzw. die Vorrichtung nach Anspruch 4. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch eine Folge von Steuerpulsen mit einer ersten Frequenz die Helligkeit der LED einzustellen und durch eine Folge von Steuerpulsen mit einer zweiten Frequenz den Nennstrom der LED einzustellen. Die Pulsfolge zur Steuerung des Nennstroms der LED ist dabei mit hoher Frequenz getaktet, z.B. 1 MHz, die Pulsfolge zur Steuerung der Helligkeit der LED ist mit niedriger Frequenz getaktet, z.B. 100 Hz.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer weißen Lumineszenzdiode, bei dem in Abhängigkeit von einem Steuersignal ein Strom mit einer vorgegebenen ersten Frequenz pulsförmig von einer Stromquelle durch die Lumineszenzdiode fließt, wobei die Lichtausbeute der Lumineszenzdiode durch das Verhältnis der Pulsdauer zu der Pausendauer in der Pulsfolge bestimmt wird, wobei außerdem in Abhängigkeit von einem hochfrequenten Anteil im Steuersignal mit einer vorgegebenen zweiten Frequenz ein Nennstrom durch die Lumineszenzdiode fließt, wobei dessen Größe zum Zeitpunkt der Pulsdauer der ersten Frequenz durch das Puls-Pausen-Verhältnis der zweiten Frequenz bestimmt wird, wobei die Stromquelle für die pulsförmige Versorgung der Lumineszenzdiode einen Regler umfasst und wobei die Rückkoppelspannung des Reglers durch eine Stromerfassungseinrichtung in Abhängigkeit von dem Strom durch die Lumineszenzdiode erzeugt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkoppelspannung des Reglers eine Steuerspannung überlagert ist, die durch Glätten des Steuersignals erzeugt wird.

Für die Ansteuerung der Lumineszenzdiode wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung zum Betreiben einer weißen Lumineszenzdiode, die eine gepulste Stromquelle umfasst, von der in Abhängigkeit von einem Steuersignal ein Strom mit einer vorgegebenen ersten Frequenz pulsförmig durch die Lumineszenzdiode fließt, wobei die Lichtausbeute der Lumineszenzdiode durch das Verhältnis der Pulsdauer zu der Pausendauer in der Pulsfolge bestimmt wird, wobei außerdem in Abhängigkeit von einem hochfrequenten Anteil im Steuersignal mit einer vorgegebenen zweiten Frequenz ein Nennstrom durch die Lumineszenzdiode fließt, wobei dessen Größe zum Zeitpunkt der Pulsdauer der ersten Frequenz durch das Puls-Pausen-Verhältnis der zweiten Frequenz bestimmt wird, wobei die Stromquelle für die pulsförmige Versorgung der Lumineszenzdiode einen Regler umfasst und wobei die Rückkoppelspannung des Reglers durch eine Stromerfassungseinrichtung in Abhängigkeit von dem Strom durch die Lumineszenzdiode erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rückkoppelspannung des Reglers eine Steuerspannung überlagert ist, die durch Glätten des Steuersignals erzeugt wird.

Die Erfindung hat damit u.a. den Vorteil, dass für die Einstellung des Nennstromes und für die Helligkeitseinstellung nur ein Steuersignal benötigt wird. Das bedeutet, dass nur eine Steuerleitung erforderlich ist. Der Hardware-Aufwand verringert sich entsprechend, und die Steuerelektronik kann sehr kompakt aufgebaut werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung zum Betreiben einer Lumineszenzdiode.
2 zeigt schematisch die zeitliche Abfolge des Steuersignals.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, für die Ansteuerung der Lumineszenzdiode einen Spannungswandler zu verwenden. Durch einen Shunt-Widerstand wird aus der Spannungs- eine Stromquelle. Die Rückkoppelspannung für den Regler des Spannungswandlers wird in Abhängigkeit von der Spannung erzeugt, die über den Shunt-Widerstand abfällt. Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades wird die Spannung, die über dem Shunt-Widerstand abfällt, verstärkt.
Um mit dieser Schaltung den Strom durch die Lumineszenzdiode einzustellen, wird an den Rückkopplungseingang des Reglers zusätzlich zu der eigentlichen Rückkoppelspannung des Spannungswandlers eine Steuerspannung angelegt. Diese Steuerspannung wird aus einem digitalen, pulsbreitenmodulierten externen Steuersignal (PWM-Signal) erzeugt. Das Steuersignal übernimmt zwei Funktionen zugleich, nämlich einerseits das Dimmen des Lichtes der Lumineszenzdiode durch Ein-/Ausschalten des Nennstromes und andererseits das Einstellen des Nennstroms für die jeweilige Lumineszenzdiode.
Das Steuersignal wird mit einem RC-Glied geglättet und über einen Pufferverstärker entkoppelt. Der niederfrequente Anteil des Steuersignals führt somit zu einer Steuerspannung am Ausgang des Pufferverstärkers, die den Nennstrom der Lumineszenzdiode ein- und ausschaltet. Der hochfrequente Anteil des Steuersignals erzeugt eine Steuerspannung am Ausgang des Pufferverstärkers, deren Höhe von dem Puls-Pausen-Verhältnis des hochfrequenten Anteils des Steuersignals abhängt. Die Eingangsspannung am Eingang des Reglers ergibt sich durch Überlagerung der Ausgangsspannung des Pufferverstärkers und der Rückkoppelspannung von dem Shunt-Widerstand. Das Verhältnis der Ausgangsspannung des Pufferverstärkers zu der Rückkoppelspannung wird durch einen Spannungsteiler bestimmt. Hiermit wird zugleich der maximal mögliche Ausgangsstrom definiert.
Durch die Steuerspannung wird der Rückkopplungseingang des Reglers in dem Spannungswandler übersteuert. Je höher der Anteil der Steuerspannung ist, desto weniger Strom treibt der Wandler durch die Lumineszenzdiode, da die Rückkoppelspannung einen entsprechend kleineren Beitrag liefern muss.
Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben einer Lumineszenzdiode werden im folgenden anhand von 1 erläutert. In 1 ist eine Lumineszenzdiode 1 gezeigt, durch die in Abhängigkeit von einer Steuerspannung ein pulsförmiger Strom fließt. Der Strom wird durch einen Spannungswandler 2 getrieben, der seinerseits von einer Spannung an seinem Eingang FB angesteuert wird.
Der Strom fließt durch die Lumineszenzdiode 1 und einen damit in Serie verbundenen Messwiderstand 7.
Die Rückkoppelspannung für den Spannungsregler 2 wird in Abhängigkeit von der über den Messwiderstand 7 abfallenden Spannung erzeugt. Diese Spannung wird von einem Messverstärker 8 erfasst, verstärkt und liegt an dem Steuereingang FB des Spannungswandlers 2 an.
Der Steuereingang FB ist außerdem mit einem Steuersignaleingang 3 verbunden. An dem Steuersignaleingang 3 liegt ein externes Steuersignal an. In Abhängigkeit von dem externen Steuersignal an dem Steuereingang 3 treibt der Spannungswandler 2 pulsförmig einen Strom mit einer vorgegebenen ersten Frequenz f1. Je nach Verhältnis der Pulsdauer D zu der Pausendauer lässt sich die Lichtausbeute der Lumineszenzdiode 1 einstellen.
Erfindungsgemäß wird dieses externe Steuersignal durch ein RC-Glied mit einem Widerstand 4 und einem Kondensator 5 geglättet und durch einen Pufferverstärker 6 verstärkt. Durch das RC-Glied wird erreicht, dass breite Pulse des bei 3 anliegenden Steuersignals praktisch unverändert, bis auf eine Verformung der Flanken, durchgelassen werden und nach kurzer Dauer die maximale Spannung des Pulses an dem Eingang des Verstärkers 6 anliegt, so dass an dem Ausgang des Verstärkers 6 ebenfalls eine maximale Ausgangsspannung anliegt. Kurze Pulse des Steuersignals am Anschluss 3 laden dagegen den Kondensator 5 auf, so dass die Spannung am Eingang des Verstärkers 6 einen kleineren Wert hat. Entsprechend bleibt die Ausgangsspannung des Verstärkers 6 niedriger als bei einem breiten Puls an seinem Eingang.
Je nach Breite der Pulse am Eingang 3 liegt also am Ausgang des Verstärkers 6 eine hohe oder eine niedrigere Spannung an. Der Ausgang des Verstärkers 6 ist mit dem Rückkoppeleingang FB des Spannungswandlers 2 verbunden, so dass der Regler in Abhängigkeit von dem Steuersignal am Eingang 3 angesteuert wird. Auf diese Art lässt sich über die Pulsfrequenz f2 des Steuersignals am Eingang 3 einstellen, welcher Nennstrom durch die Lumineszenzdiode 1 fließt, d.h. ein Wert für den Strom, der durch die Lumineszenzdiode 1 fließt. Dieser Wert hängt von der Eingangsspannung am Verstärker 6 ab und damit von der Pulsfrequenz f2, deren Pulsbreite und der Dimensionierung des Kondensators 5 und des Widerstandes 4.
Das Verhältnis der Steuerspannung zu der Rückkoppelspannung in dem Steuersignal an dem Anschluss FB des Spannungswandlers 2 und damit der maximal mögliche Ausgangsstrom wird durch einen Spannungsteiler mit den Widerständen 9 und 10 bestimmt.
In 2 ist der zeitliche Verlauf der Steuerspannung dargestellt. Die Steuerspannung beträgt vorzugsweise ca. 3,3 V. Das Steuersignal an dem Anschluss 3 der Vorrichtung setzt sich aus zwei ineinander verschachtelten Pulsfolgen zusammen. Eine erste Folge 11 von Pulsen umfasst breite Strompulse mit einer jeweiligen Dauer D. Ihre Frequenz beträgt f1 und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 und 300 Hz und insbesondere bei 100 Hz.
Das Signal mit der Pulsdauer D und der Frequenz f1 ist so niedrig getaktet, dass es von dem RC-Glied 4, 5 der Treiberschaltung praktisch ungehindert hindurch gelassen wird. Während der H-Phase wird die Lumineszenzdiode 1 ausgeschaltet (der FB-Eingang des Spannungswandlers 2 ist übersteuert), während der übrigen Zeit (L-Phase) ist die Lumineszenzdiode 1 eingeschaltet. Das Puls-Pausen-Verhältnis des Signals steuert die Helligkeit der Lumineszenzdiode 1 in dem Sinne, dass die Lumineszenzdiode 1 gedimmt wird.
Dem Signal 11 ist ein weiteres Signal 12 überlagert, das den Nennstrom durch die Lumineszenzdiode 1 bestimmt (während der L-Phase von f1 ). Das Puls-Pausen-Verhältnis des Signals 12 steuert die maximale erreichbare Helligkeit der Lumineszenzdiode 1. Dieses Signal 12 ist mit einer Frequenz f2 so hoch getaktet, dass das RC-Glied 4, 5 der Treiberschaltung dieses Signal in eine Gleichspannung wandelt, deren Amplitude direkt proportional zum Puls-Pausen-Verhältnis von dem Signal 12 mit einer Frequenz f2 ist. D.h. der Nennstrom durch die Lumineszenzdiode 1 wird durch das Verhältnis der Pulsdauer zu der Pausendauer d in der Pulsfolge mit der Frequenz f2 bestimmt. Die Frequenz f2 liegt dabei in der Größenordnung von 1 MHz. Dem Fachmann ist dabei jedoch klar, dass sich die Größe der Frequenz f2 einerseits und die Dimensionierung des RC-Gliedes 4, 5 andererseits gegenseitig bedingen.

1: Lumineszenzdiode
2: Spannungsregler
3: Steuereingang für externes Steuersignal
4: Widerstand von RC-Glied
5: Kondensator von RC-Glied
6: Pufferverstärker
7: Messwiderstand
8: Messverstärker
9: erster Widerstand von Spannungsteiler
10: zweiter Widerstand von Spannungsteiler
11: Pulse zum Dimmen
12: Pulse zum Einstellen des Nennstroms
D: Pulsdauer von PWM-Signal zum Dimmen
d: Pulsdauer von PWM-Signal für Nennstrom
f1: Pulsfrequenz von Dimmerpulsen
f2: Pulsfrequenz von Nennstrompulsen
FB: Rückkopplungseingang des Spannungsreglers
U: Versorgungsspannung

Claims

Verfahren zum Betreiben einer weißen Lumineszenzdiode, bei dem in Abhängigkeit von einem Steuersignal ein Strom mit einer vorgegebenen ersten Frequenz (f1) pulsförmig von einer Stromquelle durch die Lumineszenzdiode (1) fließt, wobei die Lichtausbeute der Lumineszenzdiode (1) durch das Verhältnis der Pulsdauer (D) zu der Pausendauer in der Pulsfolge bestimmt wird, wobei außerdem in Abhängigkeit von einem hochfrequenten Anteil im Steuersignal mit einer vorgegebenen zweiten Frequenz (f2) ein Nennstrom durch die Lumineszenzdiode (1) fließt, wobei dessen Größe zum Zeitpunkt der Pulsdauer der ersten Frequenz (f1) durch das Puls-Pausen-Verhältnis der zweiten Frequenz (f2) bestimmt wird, wobei die Stromquelle für die pulsförmige Versorgung der Lumineszenzdiode (1) einen Regler (2) umfasst und wobei die Rückkoppelspannung des Reglers (2) durch eine Stromerfassungseinrichtung (7, 8) in Abhängigkeit von dem Strom durch die Lumineszenzdiode erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkoppelspannung des Reglers (2) eine Steuerspannung überlagert ist, die durch Glätten des Steuersignals erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass der Steuersignaleingang (FB) des Reglers (2) durch die Steuerspannung übersteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz (f1) zur Steuerung der Helligkeit der Lumineszenzdiode (1) im Bereich von 100 bis 300 Hz liegt und die zweite Frequenz (f2) zur Steuerung des Nennstromes der Lumineszenzdiode (1) in der Größenordnung von 1 MHz liegt.
Vorrichtung zum Betreiben einer weißen Lumineszenzdiode, die eine gepulste Stromquelle umfasst, von der in Abhängigkeit von einem Steuersignal ein Strom mit einer vorgegebenen ersten Frequenz (f1) pulsförmig durch die Lumineszenzdiode (1) fließt, wobei die Lichtausbeute der Lumineszenzdiode (1) durch das Verhältnis der Pulsdauer (D) zu der Pausendauer in der Pulsfolge bestimmt wird, wobei außerdem in Abhängigkeit von einem hochfrequenten Anteil im Steuersignal mit einer vorgegebenen zweiten Frequenz (f2) ein Nennstrom durch die Lumineszenzdiode (1) fließt, wobei dessen Größe zum Zeitpunkt der Pulsdauer der ersten Frequenz (f1) durch das Puls-Pausen-Verhältnis der zweiten Frequenz (f2) bestimmt wird, wobei die Stromquelle für die pulsförmige Versorgung der Lumineszenzdiode (1) einen Regler (2) umfasst und wobei die Rückkoppelspannung des Reglers (2) durch eine Stromerfassungseinrichtung (7, 8) in Abhängigkeit von dem Strom durch die Lumineszenzdiode erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkoppelspannung des Reglers (2) eine Steuerspannung überlagert ist, die durch Glätten des Steuersignals erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein RC-Glied (5, 6) zum Glätten des Steuersignals an einem externen Eingang (3) und einen Pufferverstärker (6) zum Entkoppeln der Steuerspannung.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassungseinrichtung (7, 8) einen Shunt-Widerstand (7) und einen Verstärker (8) zum Verstärken der über dem Shunt-Widerstand (7) abfallenden Spannung umfasst.