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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Versorgen einer
Leuchtdiodenanordnung mit elektrischer Energie mit einem Stromerfassungsmittel
zum Erfassen des in die Leuchtdiodenanordnung fließenden Stroms
(Leuchtdiodenstroms) und mit zumindest einem Mittel zum Kurzschließen einer oder
mehrerer Leuchtdioden über
eine Parallelleitung, das zumindest mittelbar von der Stromerfassungseinrichtung
ansteuerbar ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus
einer vorgenannten Schaltungsanordnung und einer Leuchtdiodenanordnung.
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Aus
der Druckschrift mit der Veröffentlichungsnummer
DE 198 41 490 A1 ist
eine Schaltungsanordnung mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt.
Diese Schaltungsanordnung ist dazu vorgesehen, eine Serienschaltung
aus mindestens zwei Leuchtdioden vor einem Ausfall zu schützen, wozu
jeweils mindestens eine Leuchtdiode der Parallelleitung zugeordnet
ist. In der Parallelleitung kann ein Transistor zum Öffnen und
Schließen
der Parallelleitung angeordnet sein. Die Parallelleitung dient dazu,
eine gegebenenfalls defekte Leuchtdiode zu überbrücken, so dass ein Stromfluss
durch die Leuchtdiodenanordnung weiterhin möglich ist.
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Im
vorliegenden Fall waren die Entwickler vor die Aufgabe gestellt,
eine Schaltungsanordnung für
ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, die so ausgestaltet ist, dass sie
auch bei sich ändernden
Betriebsspannungen fehlerfrei arbeitet. Fehlerfrei arbeiten hieß in dem
Anforderungsprofil, dass einem übergeordneten
Diagnosemittel des Kraftfahrzeugs auch bei sich ändernden Betriebsspannungen
oberhalb eines bestimmten Schwellwerts ständig ein störungsfreier Betrieb signalisiert
wird. Die Anforderung ging jedoch nur soweit, dass in einem störungsfreien
Betrieb zumindest ein Teil der Leuchtdioden einen vollen Lichtstrom
zur Verfügung
stellt. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass alle Leuchtdioden
leuchten oder einen vollen Lichtstrom zur Verfügung stellen. Helligkeitsschwankungen
sind, sofern diese nicht ein Flackern der Leuchtdioden zur Folge
haben, durchaus akzeptabel und gelten nach den Vorgaben als störungsfreier
Betrieb.
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Die
Entwickler sahen sich daher vor die Aufgabe gestellt, eine Schaltungsanordnung
zum Versorgen einer Leuchtdiodenanordnung mit elektrischer Energie
vorzuschlagen, die einerseits Schwankungen der Betriebsspannung
in einem gewissen Maße
ausgleicht und andererseits einem Diagnosemittel, welches zum Beispiel
die Mindeststromaufnahme der Schaltungsanordnung überwacht,
trotz des Zuschaltens und des Abschaltens verschiedener Leuchtdioden
einen störungsfreien
Betrieb anzeigt.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Schaltungsanordnung geeignet und eingerichtet ist, im Betrieb
in einem vorgegebenen Spannungsbereich einer Betriebsspannung einen
Mindeststrom aufzunehmen, und dass das Mittel zum Kurzschließen regelbar
ist, um den Strom durch die Parallelleitung und somit durch die
kurzschließbaren
Leuchtdioden einzustellen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kann somit in einem vorgegebenen Spannungsbereich eine Mindeststromaufnahme
gewährleistet
werden, auch wenn einige der Leuchtdioden durch Überbrücken mittels der Parallelleitung
ganz oder nur zum Teil von einem Strom durchflossen werden. Der
Stromdurchfluss durch die kurzschließbaren Leuchtdioden kann dabei
zwischen einem Strom in Höhe
des vollen Leuchtdiodenstroms und einem Strom vom Betrag 0 eingestellt
werden. Dazu sind die Mittel zum Kurzschließen besonders ausgelegt.
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Die
regelbaren Mittel zum Kurzschließen und zum Einstellen des
Stroms durch die kurzschließbaren
Leuchtdioden umfassen vorzugsweise einen oder mehrere vorteilhaft
parallel geschaltete Transistoren. Diese Transistoren werden im
Kleinsignalbereich betrieben und dienen somit nicht als „harten" Schalter.
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Auch
die Stromerfassungsmittel können
einen Transistor umfassen.
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Die
Schaltungsanordnung kann erfindungsgemäß ferner eine Konstantstromquelle
umfassen. Die Konstantstromquelle kann dabei Bauelemente aufweisen,
die im Betrieb der Schaltungsanordnung einen veränderbaren den Leuchtdiodenstrom
einstellenden Spannungsabfall haben. Vorzugsweise handelt es sich
bei den Bauelementen um Leistungstransistoren, an denen im Betriebsfall
eine Spannung abfällt,
in Abhängigkeit
derer der Strom durch die kurzschließbaren Leuchtdioden eingestellt
wird.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann mit einer Leuchtdiodenanordnung zu einer erfindungsgemäßen Anordnung
zusammengeschaltet werden. Die Leuchtdiodenanordnung umfasst dabei
vorzugsweise zumindest zwei Gruppen von Leuchtdioden, wobei die
Leuchtdioden der einen Gruppe mittels des regelbaren Mittels kurzschließbar sind.
Die Leuchtdioden der Gruppen können
parallel geschaltet und die Gruppen in Reihe geschaltet sein.
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Die
Parallelleitung ist dann so zu der Gruppe von kurzschließbaren Leuchtdioden
angeordnet, dass die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors parallel zu dieser Gruppe liegt.
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ZEICHNUNGEN
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Ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
und eine Anordnung aus der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
einer Leuchtdiodenanordnung ist in der Zeichnung näher dargestellt.
Darin zeigt
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1 einen
schematischen Schaltplan der Anordnung,
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2a ein
Stromspannungsdiagramm der Anordnung gemäß 1 und
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2b ein
Stromspannungsdiagramm der Ströme
durch die Leuchtdioden.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
in der 1 dargestellte Anordnung umfasst die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1, 2 und
eine Leuchtdiodenanordnung G1, G2, G3.
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Die
Leuchtdiodenanordnung umfasst drei Gruppen G1,
G2, G3 von jeweils
vier parallel geschalteten Leuchtdioden. Die einzelnen Gruppen G1, G2, G3 sind
in Reihe geschaltet. Die Leuchtdiodenanordnung ist kathodenseitig
mit einer Betriebsspannung UB, vorzugsweise
eine Betriebs-Spannung einer Kraftfahrzeugbordnetzes und anodenseitig
mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1, 2 verbunden.
Ein die Leuchtdiodenanordnung durchfließender Strom ID fließt von dem
Anschluss an die Betriebsspannung UB zu
einem Anschluss A1 der Schaltungsanordnung 1, 2.
Vor und hinter der Gruppe G3 der Leuchtdiodenanordnung
ist die Leuchtdiodenanordnung mit Anschlüssen A2 beziehungsweise
A3 der Schaltungsanordnung 1, 2 verbunden.
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Die
Schaltungsanordnung 1, 2 umfasst eine Konstantstromquelle 2,
die im Wesentlichen aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Konstantstromquelle
ist mit einem Anschluss der Betriebsspannung UB und
mit einem Masseanschluss verbunden. Darüber hinaus ist die Konstantstromquelle 2 über den Anschluss
A1 mit der Leuchtdiodenanordnung G1, G2, G3 verbunden.
Der Leuchtdiodenstrom ID fließt über den
Anschluss A1 in die Konstantstromquelle
hinein. Die Konstantstromquelle umfasst zwei Leistungstransistoren
TL1 und TL2 deren
Kollektor-Emitter-Strecken
parallel geschaltet sind, wobei der Kollektor der beiden Leistungstransistoren
TL1, TL2 mit dem
Anschluss A1 verbunden ist. Der Diodenstrom
teilt sich, nachdem er in die Konstantstromquelle 2 hinein
geflossen ist, auf, fließt über die
Leistungstransistoren TL1, TL2 (nämlich über deren
Kollektor-Emitter-Strecken) über
jeweils einen Vorwiderstand R7, R9, eine Verpolschutzdiode D1 nach
Masse. Die Basis der beiden Leistungstransistoren TL1,
TL2 liegt auf gleichem Potential und ist
mit dem Kollektor eines Transistors T verbunden. Der Emitter dieses
Transistors liegt auf Masse, während
die Basis über
Widerstände
R6, R8 mit dem Emitter
der Leistungstransistoren TL1, TL2 verbunden ist. Die Konstantstromquelle 2 ist
so eingerichtet, dass ab einer bestimmten Betriebsspannung UB der Diodenstrom ID konstant
gehalten wird.
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Damit
auch bei vergleichsweise geringen Betriebsspannungen UB eine
Mindeststromaufnahme der gesamten Anordnung gewährleistet ist, ist eine zusätzliche
Schaltung in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
vorgesehen. Diese umfasst ein Mittel TR zum
Kurzschließen
der Gruppe G3 der Leuchtdiodenanordnung,
so dass der Leuchtdiodenstrom ganz oder zum Teil an den Leuchtdioden der
Gruppe G3 vorbeigeführt wird. Das Mittel TR zum Kurzschließen ist dazu mit den Anschlüssen A2, A3 der Schaltungsanordnung 1, 2 verbunden.
Das Mittel TR zum Kurzschließen wird
durch einen Transistor TR gebildet, der
mit seinem Kollektor an dem Anschluss A2 und
mit seinem Emitter an dem Anschluss A3 angeschlossen
ist. Die Basis des Transistors TR ist über Widerstände R1 und R2 mit der
Betriebsspannung UB verbunden. An dem Mittelpunkt
zwischen den Widerständen
R1 und R2 ist ein
Transistor TK mit seinem Emitter angeschlossen.
Bei dem Transistor TK handelt es sich im
Unterschied zu dem Transistor TR um einen
PNP Transistor. Der Kollektor des Transistors TK ist
mit dem Emitter des Transistors TR verbunden. Die
Basis des Transistors TK ist über einen
Widerstand R3 mit dem Emitter des Transistors
TK beziehungsweise zwischen den Widerständen R1 und R2 verbunden.
Der Transistor TK koppelt den Transistor TR mit einem weiteren Transistor TS, der mit zwei Widerständen R4 und
R5 ein Mittel zur Stromerfassung des durch
die Leuchtdioden fließenden
Stroms ID (Leuchtdiodenstrom) bildet. Der
Transistor TS liegt mit seiner Basis über dem
Widerstand R5 an den Kollektoren der Leistungstransistoren
TL1, TL2 und an dem
Anschluss A1 der Schaltungsanordnung 1, 2 an. Über einen
Widerstand R4 ist der Transistor TS, der im Übrigen als NPN-Transistor ausgeführt ist,
mit der Basis des Transistors TK verbunden.
Der Emitter des Transistors TS ist mit dem
Emitter des Leistungstransistors TL2 verbunden.
Die Basisemitterspannung des Transistors TS entspricht
somit der Kollektoremitterspannung des Leistungstransistors TL2.
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Bei
ausreichender Betriebsspannung arbeitet die Anordnung wie folgt.
Durch die Gruppen der Leuchtdiodenanordnung G1,
G2, G3 fließt – und zwar auch
durch die Gruppe G3 – der Leuchtdiodenstrom ID. Über
den Anschluss A1 fließt der Leuchtdiodenstrom in
die Leistungstransistoren TL1 und TL2. Die Leistungstransistoren TL1 und
TL2 werden so angesteuert, dass der Leuchtdiodenstrom
ID bei einer Erhöhung der Betriebsspannung konstant
bleibt. Dazu ist die konstante Stromquelle mit der Betriebsspannung
und mit Masse verbunden. Die Betriebsspannung gegen Masse liegt,
abgesehen von einem geringen Spannungsabfall an den geringen Widerständen R7 und R9 an der Basis-Emitter-Strecke
der Leisttransistoren an. Darüber
kann der Kollektorstrom der Leistungstransistoren gesteuert und
somit der Leuchtdiodenstrom ID eingestellt
werden.
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Der
Spannungsabfall, der über
den Kollektor-Emitter-Strecken der Leistungstransistoren aufbaut,
fällt an
der Basis-Emitter-Strecke
des Transistors TS ab. Der Leistungstransistor
TS ist durch diesen Spannungsabfall angesteuert
und leitend. Dadurch ist ein Stromfluss von der Betriebsspannung
UB über die
Widerstände
R2 und R3 die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors TS, den Widerstand E7 und die Verpolschutzdiode E1 nach
Masse möglich.
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Dieses
hat ein Ansteuern des Transistors TK zur
Folge, der ebenfalls leitend wird und die Basis-Emitter-Strecke
des Transistors TR zusammenbrechen lässt. Dadurch
ist der Transistor TR nicht angesteuert
und die Parallelleitung P zu der Leuchtdiodengruppe G3 ist
unterbrochen. Der gesamte Leuchtdiodenstrom ID fließt somit
auch durch die Leuchtdioden der Gruppe G3.
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Wird
die Betriebsspannung reduziert, stellt sich folgendes ein:
Durch
die Reduzierung der Betriebsspannung fällt an den Leistungstransistoren,
d. h. über
der Kollektor-Emitter-Strecke der Leistungstransistoren eine geringere
Spannung ab. Durch diese Spannungsänderung ändert sich die Basis-Emitter-Spannung
des Transistors TS. Dadurch wird der Strom
durch den Transistor TS reduziert und entsprechend
die Basis des Transistors TK angehoben.
Der Stromfluss durch den Transistor TK wird
dadurch ebenfalls reduziert, was einen Spannungsabfall über der
Basis-Emitter-Strecke
des Transistors TR zur Folge hat. Dieses verursacht
einen Stromfluss über
die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors TR,
wodurch die Parallelleitung P leitend wird ohne jedoch die Leuchtdioden der
Gruppe G3 kurzzuschließen. Das bedeutet, das ein
Teil des Leuchtdiodenstroms ID nach wie
vor durch die Leuchtdioden der Gruppe G3 fließt, während ein
anderer Teil des Leuchtdiodenstroms ID über die
Parallelleitung P an den Leuchtdioden der Gruppe G3 vorbeigeführt wird.
Der Gesamtwiderstand für den
Leuchtdiodenstrom reduziert sich, wodurch eine Mindeststromaufnahme
trotz der verringerten Betriebsspannung UB aufrechterhalten
wird.
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Wird
die Betriebsspannung UB weiter reduziert,
verringert sich der Spannungsabfall über die Kollektoremitterstrecke
der Leistungstransistoren TL1, TL2 weiter, und entsprechend stellt sich eine Spannung
an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors TR ein,
welches den Widerstand der Parallelleitung P weiter reduziert. Sobald
die Leistungstransistoren TL1, TL2 aufgrund einer immer weiter abgesenkten
Betriebsspannung UB voll durchschalten,
schaltet auch der Transistor TR voll durch.
D. h., die Parallelleitung P hat gegenüber dem Zweig über die
Leuchtdioden der Gruppe G3 keinen ohmschen
Widerstand und der Leuchtdiodenstrom ID wird
vollständig
von der Parallelleitung P übernommen.
Die Mindeststromaufnahme kann dadurch trotz der weiter reduzierten
Betriebsspannung UB aufrechterhalten werden.
Die Leuchtdioden der Gruppe G3 sind dann
jedoch abgeschaltet, welches jedoch nicht als Nachteil empfunden
wird. Eine noch weitere Reduktion der Betriebsspannung führt letztendlich
zu einem geringer werdenden Leuchtdiodenstrom ID,
bis letztendlich die Spannung nicht mehr dazu ausreicht, einen Strom
durch die Leuchtdioden der Gruppen G1 und G2 und über
den Parallelzweig P zu treiben. Die Leuchtdioden verlöschen letztendlich
vollständig.
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In 2a ist
die Gesamtstromaufnahme, d. h. der Leuchtdiodenstrom ID der
Spannung dargestellt. Es ist erkennbar, dass eine nennenswerte Stromaufnahme 10 ab
einer Spannung von U0 beginnt. Der Strom,
der durch die Betriebsspannung ab der Spannung U0 durch
die Schaltung getrieben wird, fließt vollständig als Leuchtdiodenstrom
ID, 10 durch die Leuchtdioden der
ersten und der zweiten Gruppe G1 beziehungsweise
G2. Ab einer Betriebsspannung UB von
U1 ist die gewünschte Stromaufnahme erreicht.
Wird die Spannung UB weiter erhöht, regelt
die Konstantstromquelle 2 den Strom so, dass er in etwa auf
dem gewünschten
Wert gehalten wird. Wird die Spannung weiter erhöht, wird der Leuchtdiodenstrom ID, 10, der bis zu einer Spannung
U2 über
die Parallelleitung an den Leuchtdioden der Gruppe G3 vorbeifließt, nur
durch die Leuchtdioden der Gruppe G1 und G2 getrieben. Wird die Betriebsspannung über den Wert
von U2 weiter erhöht, reicht die Betriebsspannung
aus, um auch einen Strom durch die Leuchtdioden der Gruppe G3 zu treiben. D. h., die Leuchtdioden der
Gruppe G3 können zugeschaltet werden.
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Um
ein abruptes hartes Zuschalten zu vermeiden, wird dazu der Transistor
TR so angesteuert, dass der Widerstand der
Kollektor-Emitter-Strecke Zug um Zug erhöht wird, bis dass der Transistor
TR vollständig abschaltet. Die Wirkung
ist, dass der Strom durch die Leuchtdioden der Gruppe G3 stetig erhöht wird.
Dieses ist an dem Verlauf der Kurve 12 in der 2b ab
dem Spannungswert von U2 zu erkennen. Bei
einer Spannung von U3 haben die Leuchtdioden
der Gruppe G3 den Leuchtdiodenstrom ID vollständig übernommen
und der Transistor TR ist abgeschaltet.
Anders als bei einem hartschaltenden Transistor TR führt das
weiche Schalten bei Spannungsschwankungen der Betriebsspannung UB im Bereich der Spannungen U2 beziehungsweise
U3 nicht zu einem Flackern der Leuchtdioden
der Gruppe G3 und somit nicht zu einem flackernden
Eindruck der gesamten Leuchtdiodenanordnung. Sind die Spannungsschwankungen
nicht zu groß,
wird der Lichtstrom nur allmählich
geändert,
was einem Betrachter nicht stark auffällt.