DE102006026938A1

DE102006026938A1 - LED Lichtquelle mit konstanter Intensität während der Betriebsdauer

Info

Publication number: DE102006026938A1
Application number: DE102006026938A
Authority: DE
Inventors: Alois Biebl; Günther Hirschmann
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-12-13
Also published as: KR20090023677A; CN101467491A; US20090128050A1; JP2009540554A; EP2027755A1; TW200806082A; US8044607B2; CN101467491B; WO2007141254A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinheit für eine Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit, wobei im Betrieb eine Durchlassspannung Uf an der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit anliegt und die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit von einem Durchlassstrom If durchflossen wird, wobei die Schaltungseinheit den Durchlassstrom If derart regelt, dass ein Ist-Wert Vist, der von dem Durchlassstrom If und der Durchlassspannung Uf abhängt, einen vorgegebenen Soll-Wert Vsoll annimmt. Ferner betrifft die Erfindung eine Strahlungsquelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinheit für eine Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit.
Bei einer herkömmlichen Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit, beispielsweise einer Leuchtdiode, wird ein Durchlassstrom I_f, der die Halbleiter-Einheit durchfließt, mittels Konstantstromregelung auf konstantem Niveau gehalten. Dabei kann das Problem auftreten, dass die Intensität der von der Halbleiter-Einheit erzeugten Strahlung bei Erwärmung derselben abnimmt.
Aus dem Abstract JP 2005-011895 A ist eine LED-Schaltung bekannt, die einen konstanten Strom durch eine weiße LED ermöglicht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungseinheit anzugeben, die bei einer Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit eine einfache Lichtstromregelung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungseinheit gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strahlungsquelle mit einer einfachen Lichtstromregelung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Strahlungsquelle gemäß Patentanspruch 16 gelöst.
Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungseinheit für eine Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit liegt im Betrieb eine Durchlassspannung U_f an der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit an, und die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit wird von einem Durchlassstrom I_f durchflossen, wobei die Schaltungseinheit den Durchlassstrom I_f derart regelt, dass ein Ist-Wert V_ist, der von dem Durchlassstrom I_f und der Durchlassspannung U_f abhängt, einen vorgegebenen Soll-Wert V_soll annimmt.
Dabei bedeutet nicht nur die exakte Entsprechung V_ist = V_soll dass der Ist-Wert V_ist den vorgegebenen Soll-Wert V_soll annimmt. Vielmehr ist hierbei im Rahmen der Erfindung die Einhaltung des Soll-Werts V_soll innerhalb einer vorgegebenen Abweichung, die typischerweise bis zu 10% des Ist-Werts V_ist betragen kann, tolerabel.
Mittels der erfindungsgemäßen Schaltungseinheit findet eine Lichtstromregelung, vorzugsweise eine Leistungsregelung, statt. Unter der Voraussetzung, dass die Intensität der von der Halbleiter-Einheit erzeugten Strahlung beziehungsweise der Lichtstrom proportional zur elektrischen Leistung ist, die in der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit umgesetzt wird, hat die Lichtstromregelung gegenüber der Konstantstromregelung den Vorteil, dass geringere Schwankungen des Lichtstroms auftreten. Da die Durchlassspannung U_f mit zunehmender Erwärmung der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit abnimmt, nimmt im Falle der herkömmlichen Konstantstromregelung die umgesetzte elektrische Leistung und somit die Strahlungsintensität ab. Erfindungsgemäß wird hingegen der Durchlassstrom I_f in Abhängigkeit von der Durchlassspannung U_f so variiert, dass die elektrische Leistung und somit die Strahlungsleistung auf konstantem Niveau bleiben. Abweichungen innerhalb des oben angegebenen Toleranzbereichs sind zulässig.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die Schaltungseinheit eine Ansteuereinheit und eine Auswerteeinheit auf. Mittels der Ansteuereinheit kann der durch die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit fließende Durchlassstrom I_f gesteuert werden. Mittels der Auswerteeinheit kann ein momentaner Wert des Durchlassstroms bestimmt werden. Ferner kann mittels der Auswerteeinheit ein momentaner Ist-Wert V_ist bestimmt werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführung der Schaltungseinheit umfasst die Auswerteeinheit einen ohmschen Widerstand. Vorzugsweise wird mittels eines Spannungsabfalls am ohmschen Widerstand der Durchlassstrom I_f ermittelt. Dies ermöglicht eine einfache Bestimmung des Durchlassstroms I_f. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen kann gemäß der Erfindung auf zusätzliche Bauelemente wie eine Fotodiode oder einen Temperaturfühler zur Bestimmung des Durchlassstroms I_f, der für die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle maßgebend ist, verzichtet werden. Im Falle einer Fotodiode wird das von der Strahlung erzeugenden Einheit emittierte Licht von der Fotodiode erfasst und der momentane Ist-Wert des erzeugten Fotostroms mit dem vorgegebenen Soll-Wert verglichen. Im Falle eines Temperaturfühlers kann mittels eines temperaturabhängigen Widerstand die Temperatur der Strahlung erzeugenden Einheit ermittelt und der Durchlassstrom I_f entsprechend angepasst werden. Im Falle der Erfindung hingegen genügt ein ohmscher Widerstand, um den momentanen Ist-Wert des Durchlassstroms I_f zu bestimmen.
Besonders bevorzugter Weise ist der ohmsche Widerstand mit der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit in Reihe geschaltet. Insbesondere ist der ohmsche Widerstand der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit in deren Durchlassrichtung nachgeschaltet.
Gemäß einer bevorzugten Variante umfasst die Auswerteeinheit eine Mathematikschaltung. Mittels der Mathematikschaltung können mathematische Operationen der Eingangsgrößen, das heißt der Durchlassspannung U_f und des Durchlassstroms I_f, wie Multiplikation, Division, Addition und Subtraktion durchgeführt werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Variante kann der Ist-Wert V_ist mittels der Mathematikschaltung bestimmt werden. Der Ist-Wert V_ist ist insbesondere eine Funktion f der Durchlassspannung U_f und des Durchlassstroms I_f, wobei einer der folgenden Zusammenhänge gilt: V_ist = f (U_f·I_f); V_ist = f (U_f/I_f); V_ist = f(U_f + I_f); V_ist = f(U_f – I_f). Im Gegensatz zur herkömmlichen Konstantstromregelung interessiert somit nicht nur der Durchlassstrom I_f, sondern auch die Durchlassspannung U_f. Vorzugsweise hängt die Funktion f ausschließlich von der Durchlassspannung U_f und dem Durchlassstrom I_f ab.
Der Durchlassstrom I_f kann ein Gleichstrom oder ein getakteter Strom sein, wobei im letztgenannten Fall eine Pulsweitenmodulation (PWM) bevorzugt ist. Die Strahlungsintensität der Halbleiterkörper kann verändert werden, indem der Gleichstrom variiert oder der Tastgrad (Verhältnis Pulsdauer zu Periodendauer) der PWM-Ansteuerung verändert wird. Vorteilhafterweise nimmt das Auge bei unterschiedlichen Tastgraden eine mittlere Strahlungsintensität wahr.
Um bei einem getakteten Strom den Ist-Wert V_ist wie angegeben zu bestimmen, muss der mittlere Durchlassstrom I_f ermittelt werden. Hierfür kann die Auswerteeinheit ein Mittelwert bildendes Element aufweisen. Zweckmäßigerweise ist das Mittelwert bildende Element an den Tastgrad angepasst. Beispielsweise kann das Mittelwert bildende Element ein RC-Tiefpass sein.
Mit Vorteil weist die Auswerteeinheit mindestens ein Element zur Bestimmung der Differenz von V_ist und V_soll auf. Somit kann ermittelt werden, wie stark V_ist von V_soll abweicht.
Vorzugsweise ist das Element ein Subtrahierer, der als Regler dient. Die ermittelte Differenz bildet die Grundlage zur Regelung der Durchlassspannung U_f und des Durchlassstroms I_f.
Zweckmäßigerweise ist die Ansteuereinheit mit der Auswerteeinheit elektrisch leitend verbunden. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Regelung der Ausgangsspannung, die an der Halbleiter-Einheit anliegt und gleich der Durchlassspannung U_f ist, und des Durchlassstroms I_f in Abhängigkeit vom ermittelten Ist-Wert V_ist erfolgen.
Bevorzugt umfasst die Ansteuereinheit einen Spannungswandler. Der Spannungswandler kann beispielsweise ein DC/DC-Wandler, insbesondere ein SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter)-Wandler sein. Besonders bevorzugt kann mittels des Spannungswandlers eine für die Strahlungsquelle vorgesehene Versorgungsspannung derart angepasst werden, dass die Ausgangsspannung, die an der Halbleiter-Einheit anliegt, einen gewünschten Wert annimmt.
Eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle weist eine Schaltungseinheit wie oben beschrieben auf.
Vorteilhafterweise kann die Strahlungsquelle dadurch mit einem relativ konstanten Lichtstrom betrieben werden, was bedeutet, dass Abweichungen im Rahmen des oben angegebenen Toleranzbereichs zulässig sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst die Strahlungsquelle ferner eine Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit, wobei die Strahlung erzeugende Einheit mit der Schaltungseinheit elektrisch leitend verbunden ist. Beispielsweise können die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit und die Schaltungseinheit auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet und mittels Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden sein.
Mittels der Schaltungseinheit können die Durchlassspannung U_f und der Durchlassstrom I_f der Strahlung erzeugenden Einheit geregelt werden. Ferner kann dadurch der Lichtstrom geregelt werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführung weist die Strahlung erzeugende Einheit mindestens einen Strahlung erzeugenden Halbleiterkörper auf.
Desweiteren kann die Strahlung erzeugende Einheit eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Halbleiterkörpern aufweisen. Hierdurch kann ein gleich starker Strom durch alle Halbleiterkörper erzielt werden, so dass eine gleichmäßige Helligkeit über eine Leuchtfläche erreicht werden kann.
Insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich oder für Beleuchtungszwecke erbringt eine Mehrzahl von Halbleiterkörpern den weiteren Vorteil höherer Strahlungsintensität. Mittels einer kompakten Anordnung der Halbleiterkörper kann ferner eine vergleichsweise hohe Leuchtdichte erzielt werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen einer Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit, für welche die Schaltungseinheit gemäß der Erfindung geeignet ist, können der Offenlegungsschrift WO 2006/012842 A2 entnommen werden, deren Inhalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Der einzelne Halbleiterkörper kann ein „auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierendes" Material enthalten, was im vorliegenden Zusammenhang bedeutet, dass der Halbleiterkörper zur Strahlungserzeugung eine Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht aufweist, die ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die aktive beziehungsweise Strahlung erzeugende Schicht des Halbleiterkörpers kann zum Beispiel als Heterostruktur, Doppelheterostruktur oder als Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der Halbleiterkörper kann als Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips ausgebildet sein.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus:

– an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
– die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und
– die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174-2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher besonders gut für die Anwendung in einem Scheinwerfer.
Insbesondere kann die Strahlung erzeugende Einheit mindestens eine Leuchtdiode oder Laserdiode enthalten. Beispielsweise kann die Strahlung erzeugende Einheit ein aus mehreren Leuchtdioden oder Laserdioden gebildetes Array sein. Das spektrale Intensitätsmaximum der Leuchtdiode oder der Laserdiode kann im Ultraviolettbereich, im sichtbaren Bereich oder Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegen.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist die Strahlungsquelle für einen Scheinwerfer vorgesehen.
Ferner kann die erfindungsgemäße Strahlungsquelle zur Beleuchtung vorgesehen sein. Vorteilhafterweise ist die Strahlungsquelle zur Beleuchtung mit konstanter Leuchtdichte geeignet.
Weiterhin kann die Strahlungsquelle zur Hinterleuchtung, beispielsweise von einem Display, vorgesehen sein.
Weitere bevorzugte Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Vorteile einer Mehrfachquantentopfstruktur sowie eines strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers oder Bauelements gemäß der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden im Zusammenhang mit den 1 bis 7 näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen
1 ein Schaubild darstellend den zeitlichen Verlauf der Leuchtdichte und der Temperatur einer herkömmlichen gekühlten beziehungsweise ungekühlten Leuchtdiode,
2 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Strahlungsquelle mit einem Temperatursensor oder einem Fotosensor,
3a und 3b ein Schaubild darstellend den zeitlichen Verlauf der Leuchtdichte bei herkömmlicher Konstantstromregelung und erfindungsgemäßer Lichtstromregelung,
4 ein Schaubild darstellend den temperaturabhängigen Verlauf der Durchlassspannung U_f,
5a ein Schaubild darstellend Durchlassspannung U_f, Durchlassstrom I_f und die daraus resultierende umgesetzte Leistung P,
5b eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Halbleiterkörper,
6 ein Schaubild darstellend eine Kurve konstanter Strahlungsintensität, die mittels der erfindungsgemäßen Schaltungseinheit beziehungsweise Strahlungsquelle erzielt werden kann,
7 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Strahlungsquelle gemäß der Erfindung,
8 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Strahlungsquelle gemäß der Erfindung,
9 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels einer Strahlungsquelle, die mit einem optischen Element verbunden ist.
Bei dem in 1 dargestellten Diagramm sind die Leuchtdichte L [cd·m^–2] und die Temperatur T [°C] gegenüber der Zeit t [sec] aufgetragen. Die Kurven A beziehungsweise D zeigen den zeitlichen Verlauf der Leuchtdichte L (Kurve A) beziehungsweise der Temperatur T (Kurve D) bei einer gekühlten Leuchtdiode. Hingegen stellen die Kurven C beziehungsweise B den zeitlichen Verlauf der Leuchtdichte L (Kurve C) beziehungsweise der Temperatur T (Kurve B) bei einer ungekühlten Leuchtdiode dar.
Wie aus den Kurven hervorgeht, ist ein eingeschwungener Zustand bei der gekühlten Leuchtdiode schneller erreicht als bei der ungekühlten Leuchtdiode. Im eingeschwungenen Zustand entspricht der Ist-Wert dem Soll-Wert. Ferner bleiben im eingeschwungenen Zustand die Leuchtdichte L und die Temperatur T im Wesentlichen unverändert. Es ist zu sehen, dass die Leuchtdichte L (Kurve C) um ca. 20% abfällt, wenn die Temperatur T, wie im Falle der ungekühlten Leuchtdiode, auf etwa das doppelte des Ausgangswertes ansteigt. Es sei angemerkt, dass eine Änderung der Temperatur T sowohl durch die im Betrieb der Leuchtdiode auftretende Verlustwärme als auch durch eine Änderung der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden kann.
Dem Nachteil, der sich aus der anhand des in 1 dargestellten Diagramms aufgezeigten Korrelation zwischen Leuchtdichte L und der Temperatur T ergibt, kann auf verschiedene Weise entgegengewirkt werden.
In 2 ist ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Strahlungsquelle 1 dargestellt. Die Strahlungsquelle 1 kann im ersten Falle einen Fotosensor 6 zur Ermittlung der von einer Strahlung emittierenden Einheit 2 erzeugten Leuchtdichte L aufweisen. Dieser wandelt die empfangene Strahlung in einen Fotostrom um, der an eine Auswerteeinheit 3 ausgegeben wird. Mittels des Fotostroms wird ein entsprechender Ansteuerstrom für die Strahlung emittierende Einheit eingestellt, so dass der Durchlassstrom I_f, den eine Ansteuereinheit 4 liefert, im Wesentlichen konstant ist. Im zweiten Falle kann die Strahlungsquelle 1 einen Temperatursensor 5 zur Ermittlung der momentanen Temperatur T der Strahlung emittierenden Einheit 2 aufweisen. Mittels einer Temperaturtabelle, die einem Temperaturwert einen geeigneten Wert für den Ansteuerstrom zuweist, kann ein entsprechender Ansteuerstrom eingestellt werden.
Erfindungsgemäß können derartige zusätzliche Bauteile wie Fotosensor oder Temperatursensor eingespart werden. Denn vorteilhafterweise genügt hierbei ein ohmscher Widerstand zur Konstanthaltung des Lichtstroms beziehungsweise der Leuchtdichte L bei einer Änderung der Temperatur T. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Kontrolle von Sensoren, die für Verschmutzung beziehungsweise Ausfall anfällig sind, entfällt.
Bei einer herkömmlichen Strahlungsquelle (beispielsweise wie bei der in 2 dargestellten Strahlungsquelle) findet eine Konstantstromregelung statt, das heißt, der Durchlassstrom I_f wird auf einem konstanten Niveau gehalten. Wie die Kurve B in 3a zeigt, ändert sich der Durchlassstrom I_f im Laufe der Zeit nicht. Da jedoch die Temperatur T (Kurve C) zunimmt, was wiederum zu einer Abnahme der Durchlassspannung U_f führt (s. 4, Kurve B), sinkt die Leuchtdichte L (Kurve A) im Laufe des Betriebs ab.
Hingegen ist es erfindungsgemäß möglich, die Leuchtdichte L der emittierten Strahlung während der Betriebsdauer konstant zu halten (s. 3b, Kurve A). Dies kann erfindungsgemäß mittels einer Lichtstromregelung der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit erreicht werden. Hierbei ist der Durchlassstrom I_f variabel (Kurve B). Insbesondere wird der Durchlassstrom I_f derart geregelt, dass bei zunehmender Temperatur T der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit die Leuchtdichte L im Wesentlichen konstant bleibt. Wie aus 3b hervorgeht führt dies dazu, dass der Durchlassstrom I_f im anfänglichen Betrieb ebenso wie die Temperatur T ansteigt.
Das in 4 dargestellte Diagramm zeigt den bereits erwähnten Zusammenhang zwischen Durchlassspannung U_f und Temperatur T bei einer herkömmlichen Strahlungsquelle mit Konstantstromregelung (Kurve A, Durchlassstrom I_f = konstant). Mit steigender Temperatur T sinkt die Durchlassspannung U_f (Kurve B) und umgekehrt. Die Steigung der linear verlaufenden Kurve B wird durch einen Temperaturkoeffizienten T_k, der von für die Strahlung erzeugende Einheit verwendeten Materialien und von einer möglichen Wärmesenke abhängt, bestimmt.
In 5a ist die Leistung P, die ein Produkt aus Durchlassstrom I_f und Durchlassspannung U_f ist, bei einer herkömmlichen Strahlungsquelle mit Konstantstromregelung dargestellt. Während der Durchlassstrom I_f konstant ist (Gerade B), ändert sich die Durchlassspannung U_f bei zunehmender Temperatur von einem Maximalwert U_fmax zu einem Minimalwert U_fmin (s. 4). Entsprechend ändert sich die Leistung P von einem Maximalwert P_max zu einem Minimalwert P_min, so dass gilt: P_max > P_opt = P_soll > P_min. Hingegen kann erfindungsgemäß die Leistung P trotz zunehmender Temperatur auf einem Optimalwert P_opt, der dem Sollwert P_soll entspricht, gehalten werden (s. 6).
An dieser Stelle sei angemerkt, dass bei einer Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit 2, die wie in 5b dargestellt eine Mehrzahl in Reihe geschalteter, Strahlung erzeugender Halbleiterkörper 7 aufweist, die Durchlassspannung U_f der Strangspannung entspricht, das heißt die Gesamtspannung, die in Durchlassrichtung vom ersten bis zum letzten Halbleiterkörper 7 abfällt.
6 zeigt eine Kurve A konstanter Strahlungsintensität beziehungsweise konstanter Leistung P_opt. Eine derartige Kurve kann mit einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle, die eine Schaltungseinheit wie nachfolgend im Zusammenhang mit 7 näher erläutert und eine Strahlung erzeugende Einheit wie beispielsweise in 5b dargestellt aufweist, erzielt werden. Im Gegensatz zu den veränderlichen Leistungswerten, die bei einer herkömmlichen Strahlungsquelle (s. 5a) erreicht werden, können bei der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle gleich bleibende Leistungswerte dadurch erzielt werden, dass der Durchlassstrom I_f bei zunehmender Temperatur T an die abnehmende Durchlassspannung U_f angepasst wird. Insbesondere wird der Durchlassstrom I_f derart an die Durchlassspannung U_f angepasst, dass das Produkt aus Durchlassstrom I_f und Durchlassspannung U_f den optimalen Leistungswert P_opt beziehungsweise den Soll-Wert P_soll annimmt (P_opt entspricht in 6 der Fläche der eingezeichneten Rechtecke).
In 7 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle 1 dargestellt. Die Strahlungsquelle 1 weist eine Schaltungseinheit 8 und die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit 2 auf, wobei die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit 2 mit der Schaltungseinheit 8 elektrisch leitend verbunden ist, so dass die Halbleiter-Einheit 2 mittels der Schaltungseinheit 8 elektrisch versorgt wird.
Die Schaltungseinheit 8 weist eine Auswerteeinheit 3 und eine Ansteuereinheit 4 auf, wobei die Auswerteeinheit 3 einen ohmschen Widerstand 9 umfasst. Mittels des Spannungsabfalls am ohmschen Widerstand 9 kann der Durchlassstrom I_f gemäß dem Ohmschen Gesetz bestimmt. Hieraus und mittels eines Spannungsteilers 20 kann ferner die Durchlassspannung U_f bestimmt werden.
Der ohmsche Widerstand 9 ist mit der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit 2 in Reihe geschaltet.
Die ermittelten Werte des Durchlassstroms I_f und der Durchlassspannung U_f werden an eine Mathematikschaltung 10, die Teil der Auswerteeinheit 3 ist, weitergegeben. Mittels der Mathematikschaltung 10 kann ein Ist-Wert V_ist berechnet werden, der eine Funktion f der Durchlassspannung U_f und des Durchlassstroms I_f ist, wobei einer der folgenden Zusammenhänge gilt: V_ist = f(U_f·I_f); V_ist = f(U_f/I_f); V_ist = f(U_f + T_f); V_ist = f(U_f – I_f).
Mittels eines ersten Elements 11, das Teil der Auswerteeinheit 3 ist, kann die Differenz zwischen dem Ist-Wert V_ist und dem Soll-Wert V_soll bestimmt werden. Vorzugsweise ist das Element 11 ein Subtrahierer, der als Regler dient. Mittels des ersten Elements 11 wird eine Regelspannung erzeugt. Diese liegt an einem ersten Eingang eines zweiten Elements 12 an. An einem zweiten Eingang des zweiten Elements 12 liegt eine Dreiecksspannung an, mit welcher die Regelspannung moduliert wird. Vorzugsweise ist das Element 12 ein Komparator.
Im dargestellten Falle ist der Durchlassstrom I_f, mit welchem die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit 2 durchflossen wird, ein Gleichstrom. Alternativ kann der Durchlassstrom I_f ein getakteter Strom sein. Der Lichtstrom kann konstant gehalten werden, indem der Gleichstrom variiert oder der Tastgrad der PWM-Ansteuerung geändert wird.
Wie in 7 dargestellt weist die Ansteuereinheit 4 neben dem zweiten Element 12 eine Spannungsquelle 23 auf, die eine Versorgungsspannung U_Batt liefert. Die Spannungsquelle 23 kann eine Gleichspannungsquelle wie beispielsweise eine Autobatterie sein. Die weiteren Elemente der Ansteuereinheit 4 stellen in ihrer Gesamtheit einen Spannungswandler 21 dar, der wie vorliegend ein DC/DC-Wandler, insbesondere ein SEPIC-Wandler, ist.
Für eine PWM-Ansteuerung bedarf es der Ermittlung eines mittleren Durchlassstroms I_f. Hierzu kann die Auswerteeinheit 3 ein Mittelwert bildendes Element 22 aufweisen. Vorzugsweise ist das Mittelwert bildende Element 22 der Mathematikschaltung 10 in Durchflussrichtung vorgeschaltet.
Beispielsweise kann das Mittelwert bildende Element 22 ein RC-Tiefpass sein.
In 8 ist eine Strahlungsquelle 1 mit einer Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit 2 dargestellt, wobei die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit 2 auf einem Montageträger 18 angeordnet ist. Die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit 2 weist eine Mehrzahl von Strahlung erzeugenden Halbleiterkörpern 7 auf. Diese sind in einer Ausnehmung 15 eines Gehäusekörpers angeordnet, der mittels eines Trägers 13 und eines Rahmens 14 gebildet ist. Vorzugsweise sind die Halbleiterkörper 7 im Gehäusekörper elektrisch montiert. Hierzu weist der Träger 13, auf dem die Halbleiterkörper 7 angeordnet sind, Kontaktflächen auf. Die Kontaktflächen sind einerseits Drahtanschlussflächen 16 zur oberseitigen Drahtkontaktierung der Halbleiterkörper 7 und andererseits Chipanschlussflächen (nicht gezeigt) zur unterseitigen Kontaktierung der Halbleiterkörper 7 beispielsweise mittels Löten oder Leitkleber. Die Kontaktflächen sind mit einem der Außenkontakte 17 elektrisch leitend verbunden. Die Halbleiterkörper 7 können beispielsweise in Reihe geschaltet sein.
Der Montageträger 18 ist einerseits zur Montage der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit 2 vorgesehen, andererseits kann die Schaltungseinheit (nicht dargestellt) auf dem Montageträger 18 angeordnet sein. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Schaltungseinheit und der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit 2 ist dann mittels der Außenkontakte 17 möglich. Der Montageträger 18 kann ferner eine Wärmesenke zur Kühlung der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit 2 aufweisen oder mit einer Wärmesenke thermisch leitend verbunden sein.
Die in 9 dargestellte Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle 1, wie bereits aus 8 bekannt, und ein optisches Element 19 auf. Beispielsweise ist das optische Element 19 ein nicht-abbildender optischer Konzentrator, mittels welchem die Divergenz der von der Halbleiter-Einheit 2 emittierten Strahlung verringert werden kann.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

1: Strahlungsquelle
2: Strahlung erzeugende Einheit
3: Auswerteeinheit
4: Ansteuereinheit
5: Temperatursensor
6: Fotosensor
7: Halbleiterkörper
8: Schaltungseinheit
9: Ohmscher Widerstand
10: Mathematikschaltung
11: erstes Element
12: zweites Element
13: Träger
14: Rahmen
15: Ausnehmung
16: Drahtanschlussflächen
17: Außenkontakt
18: Montageträger
19: Optisches Element
20: Spannungsteiler
21: Spannungswandler
22: Mittelwert bildendes Element
23: Spannungsquelle

Claims

Schaltungseinheit (8) für eine Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit (2), wobei im Betrieb eine Durchlassspannung U_f an der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit (2) anliegt und die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit (2) von einem Durchlassstrom I_f durchflossen wird, wobei die Schaltungseinheit (8) den Durchlassstrom I_f derart regelt, dass ein Ist-Wert V_sit, der von dem Durchlassstrom I_f und der Durchlassspannung U_f abhängt, einen vorgegebenen Soll-Wert V_soll annimmt.
Schaltungseinheit (8) nach Anspruch 1, wobei die Schaltungseinheit (8) eine Ansteuereinheit (4) und eine Auswerteeinheit (3) aufweist.
Schaltungseinheit (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerteeinheit (3) einen ohmschen Widerstand (9) umfasst.
Schaltungseinheit (8) nach Anspruch 3, wobei der Durchlassstrom I_f mittels eines Spannungsabfalls am ohmschen Widerstands (9) ermittelt wird.
Schaltungseinheit (8) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der ohmsche Widerstand (9) mit der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit (2) in Reihe geschaltet ist.
Schaltungseinheit (8) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Auswerteeinheit (3) eine Mathematikschaltung (10) umfasst.
Schaltungseinheit (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ist-Wert V_ist eine Funktion f der Durchlassspannung U_f und des Durchlassstroms I_f ist, wobei einer der folgenden Zusammenhänge gilt: V_ist = f(U_f·I_f); V_ist = f(U_f/I_f); V_ist = f(U_f + I_f); V_ist = f(U_f – I_f).
Schaltungseinheit (8) nach Anspruch 6 und 7, wobei der Ist-Wert V_ist mittels der Mathematikschaltung (10) ermittelt wird.
Schaltungseinheit (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchlassstrom I_f ein Gleichstrom ist.
Schaltungseinheit (8) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Durchlassstrom I_f ein getakteter Strom ist.
Schaltungseinheit (8) nach Anspruch 10, wobei die Auswerteeinheit (3) zur Ermittlung eines mittleren Durchlassstroms I_f ein Mittelwert bildendes Element (22) aufweist.
Schaltungseinheit (8) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Auswerteeinheit (3) mindestens ein erstes Element (11) zur Bestimmung der Differenz von V_ist und V_soll aufweist.
Schaltungseinheit (8) nach Anspruch 12, wobei das erste Element (11) ein Subtrahierer ist, der als Regler dient.
Schaltungseinheit (8) nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die Ansteuereinheit (4) mit der Auswerteeinheit (3) elektrisch leitend verbunden ist.
Schaltungseinheit (8) nach einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei die Ansteuereinheit (4) einen Spannungswandler (21) umfasst.
Strahlungsquelle (1), die eine Schaltungseinheit (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.
Strahlungsquelle (1) nach Anspruch 16, die eine Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit (2) aufweist, wobei die Strahlung erzeugende Einheit (2) mit der Schaltungseinheit (8) elektrisch leitend verbunden ist.
Strahlungsquelle (1) nach Anspruch 16 oder 17, wobei mittels der Schaltungseinheit (8) ein Lichtstrom der Strahlung erzeugenden Halbleiter-Einheit (2) geregelt wird.
Strahlungsquelle (1) nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit (2) mindestens einen Strahlung erzeugenden Halbleiterkörper (7) aufweist.
Strahlungsquelle (1) nach Anspruch 19, wobei die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit (2) eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Halbleiterkörpern (7) aufweist.
Strahlungsquelle (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die Strahlung erzeugende Halbleiter-Einheit (2) mindestens eine Leuchtdiode oder Laserdiode enthält.
Strahlungsquelle (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die Strahlungsquelle (1) zur Beleuchtung vorgesehen ist.
Strahlungsquelle (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die Strahlungsquelle (1) für einen Scheinwerfer vorgesehen ist.
Strahlungsquelle (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die Strahlungsquelle (1) zur Display-Hinterleuchtung vorgesehen ist.