DE102006031679A1 - Schaltungsanordnung zur elektrischen Ansteuerung eines Kraftfahrzeug-Scheinwerfers - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Ansteuerung eines Kraftfahrzeug-Scheinwerfers beschrieben, dessen Lichtquelle aus zwei oder mehr Leuchtdioden (LEDs) besteht. Diese Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens eine Reihenschaltung mit zwei oder mehr Leuchtdioden vorgesehen ist, wobei die Reihenschaltung an eine Konstantstromquelle angeschlossen ist, - mindestens einer Leuchtdiode eine steuerbare Bypass-Schaltung zur Steuerung der Lichtintensität dieser Leuchtdiode parallel geschaltet ist, - eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Bypass-Schaltung vorgesehen ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Ansteuerung eines Kraftfahrzeug-Scheinwerfers, dessen Lichtquelle aus zwei oder mehr Leuchtdioden (LEDs) besteht. Ein derartiger Scheinwerfer wird auch als LED-Scheinwerfer bezeichnet.
- Ein Kraftfahrzeug-Scheinwerfer, dessen Lichtquelle aus einer LED-Matrix mit einer Vielzahl von LEDs besteht ist beispielsweise aus der
DE 100 09 782 A1 bekannt. Durch den Betrieb von unterschiedlichen Teilmengen der LEDs kann dabei die Charakteristik (Lichtverteilung, Reichweite) des aus dem Scheinwerfer austretenden Lichtbündels verändert werden und so auf unterschiedliche Gegebenheiten (Stadt-, Autobahnfahrt, Kurvenfahrt, selektive Ausleuchtung kritischer Bereiche etc.) reagiert werden. Die räumliche Anordnung der LEDs in einer Matrix (Zeilen/Spalten) sagt nichts über die elektrische Verschaltung der LEDs untereinander aus. - Aus der
DE 102 42 864 A1 ist eine Reihenschaltung von Leuchtdioden in einem Kraftfahrzeug-Scheinwerfer bekannt, wobei die Reihenschaltung über ein zentrales, vom Scheinwerfer getrenntes Steuergerät versorgt wird. Zwar können die LEDs in dieser Reihenschaltung baulich auch in Form einer Matrix angeordnet sein, ein wahlweise unterschiedlicher Betrieb von unterschiedlichen Teilmengen von LEDs ist aufgrund der Reihenschaltung jedoch nicht möglich, da die LEDs innerhalb der Reihenschaltung alle gleich angesteuert/betrieben werden. - Um vollkommen flexibel unterschiedliche Teilmengen von LEDs betreiben zu können, müßten die LEDs der LED-Matrix jeweils einzeln über eine steuerbare Konstantstromquelle oder eine steuerbare Konstantstromsenke (sogenannte High-/Lowside-Stromtreiber) angesteuert/versorgt werden. In jeder der Stromquellen entsteht dabei eine thermische Verlustleistung. Bei N LEDs in der Matrix sind N Stromtreiber erforderlich, die in Summe eine relativ hohe thermische Verlustleistung erzeugen. Da für die Realisierung der Lichtwerte eines Kraftfahrzeug-Scheinwerfers durchaus 30 bis 50 High-Power-LEDs erforderlich sind, die mit einem Strom von bis zu 1 Ampere oder mehr betrieben werden können, ergeben sich auch entsprechend hohe thermische Verlustleistungen pro Scheinwerfer. Da LEDs bei zu hohen Temperaturen zerstört werden oder zumindest degradieren, und daher bereits die Eigenerwärmung der LEDs kritisch ist, ist es erforderlich, dass die Versorgungseinheit mit den stark wärmeentwickelnden Stromtreibern von der die LEDs aufweisenden Baueinheit getrennt angeordnet ist, z.B. in einem zentralen Lichtsteuergerät, das räumlich von der im Scheinwerfer angeordneten Baueinheit für die LEDs, getrennt ist. Bei der LED-Baueinheit kann es sich um einen Träger als Aufnahmeplattform für die LEDs handeln, z.B. eine Leiterplatte. Dies hat nun wiederum zur Folge, dass zwischen der Versorgungseinheit und der LED-Baueinheit N relativ hochstromtragfähige Stromleitungen und eine Sammelrückleitung – also insgesamt N+1 Leitungen – erforderlich sind. Damit sind in nachteiliger Weise entsprechend hohe Material- und Leitungsverlegungskosten verbunden.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kostengünstigere und verlustärmere Schaltungsanordnung für LED-Scheinwerfer zu schaffen, die es dennoch gestattet, unterschiedlichen Teilmengen der LEDs unterschiedlich zu betreiben.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen.
- Erfindungsgemäß weist die Schaltungsanordnung mindestens eine Reihenschaltung mit zwei oder mehr Leuchtdioden auf, die an eine Konstantstromquelle angeschlossen ist. Dabei ist nun mindestens einer Leuchtdiode eine steuerbare Bypass-Schaltung zur Steuerung der Lichtintensität dieser Leuchtdiode parallel geschaltet. Die Ansteuerung der Bypass-Schaltung geschieht über eine Steuereinheit.
- Durch die Reihenschaltung der LEDs ist zur Stromversorgung nur eine hochstromtragfähige Versorgungsleitung zwischen der Konstantstromquelle und der Reihenschaltung sowie eine Rückleitung (Masseleitung) notwendig. Durch die Reduzierung der hochstromtragfähigen Leitungen zwischen dem zentralen Lichtsteuergerät, in dem sich die Konstantstromquelle befindet, und der LED-Baueinheit im Scheinwerfer, ergibt sich eine erhebliche Kosteneinsparung.
- Zwar tritt auch in der Konstantstromquelle der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung noch eine Verlustleistung auf, die allerdings wesentlich geringer ist als die Gesamt-Verlustleistung einer Parallelschaltung von mehreren LEDs, die jeweils von einer eigenen Stromquelle versorgt werden.
- Die flexible Ansteuerung unterschiedlicher LED-Teilmengen wird durch die Bypass-Schaltungen bewirkt, die vorzugsweise jeder LED der Reihenschaltung parallel geschaltet sind. Indem ein Teil oder der gesamte Strom, der durch die Reihenschaltung fließt, um die LED herum geleitet wird, läßt sich die Lichtintensität der jeweiligen LED individuell einstellen. Für die Ansteuerung der Bypass-Schaltungen werden keine hochstromtragfähigen Leitungen benötigt. Auch die Verlustleistung in den Bypass-Schaltungen ist vernachlässigbar. Auf diese Weise kann jede einzelne LED in der Matrix oder auch Gruppen von LEDs, die räumlich benachbart sein können oder auch nicht, quasi adressiert und hinsichtlich der Lichtintensität unabhängig angesteuert werden.
- Um bei einer gegebenen Anzahl von N LEDs im LED-Scheinwerfer, hohe, sicherheitskritische Versorgungsspannungen für die LED-Reihenschaltung zu vermeiden, ist es vorgesehen, die N LEDs auf zwei oder mehr Reihenschaltungen zu verteilen, so dass in jeder Reihenschaltung z.B. N/2 LEDs angeordnet sind. Dabei bestimmt sich die Höhe der Versorgungsspannung für eine LED-Reihenschaltung nach der Summe der Flußspannungen der LEDs. Die Flußspannung einer einzelnen HighPower-LED beträgt beispielsweise ca. 4 Volt. Dabei sollten Versorgungsspannungen von größer als 60 Volt vermieden werden. Auch wenn in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zwei oder mehr Reihenschaltungen vorgesehen sind, so ist die Zahl der teueren hochstromtragfähigen Leitungen immer noch deutlich geringer als bei einer separaten Parallelschaltung sämtlicher LEDs.
- Anhand der beigefügten Zeichnung (
1 ), welche eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt, soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. - Dargestellt ist eine Schaltungsanordung für einen LED-Scheinwerfer, bei der die LEDs aus spannungstechnischen Gründen auf zwei Reihenschaltungen aufgeteilt sind, wobei jede Reihenschaltung vorzugsweise die gleiche Anzahl von LEDs umfasst. Allerdings sind auch Reihenschaltungen mit einer unterschiedlichen Anzahl von LEDs vorgesehen. Dabei ist jeder LED eine aktiv steuerbare Bypass-Schaltung zur Steuerung der Lichtintensität dieser LED parallel geschaltet. Die Ansteuerung der Bypass-Schaltung erfolgt jeweils verlustarm und schnell über einen Halbleiterschalter (HS), vorzugsweise ein Feldeffekttransistor. Die Halbleiterschalter selbst werden nun wiederum von einer Steuereinheit angesteuert. Bei der Steuereinheit kann es sich um einen Mikroprozessor oder eine programmierbare Logikeinheit handeln.
- In einer Ausführungsform wird mittels der Halbleiterschalter der Bypass digital ein bzw. ausgeschaltet, d.h. der Halbleiterschalter bewirkt in einer ersten Schaltposition eine vollständige Umleitung des Stromes um die zugehörige Leuchtdiode über den Bypass und in der anderen zweiten Schaltposition eine Sperrung des Bypasses. In der ersten Schaltposition wird die LED also mit der maximal möglichen Lichtintensität betrieben, während sie in der zweiten Schaltposition ausgeschaltet und damit dunkel ist.
- In besonders vorteilhafter Weise wird der Halbleiterschalter in dieser Ausführungsform über ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal (PWM-Steuersignal) angesteuert. Auf diese Weise kann die Lichtintensität der zugehörigen Leuchtdiode über das Verhältnis der Pulseinschaltdauer zur Pulsausschaltdauer stufenlos eingestellt werden. Die Grundfrequenz des PWM-Steuersignals wird dabei so hoch gewählt, dass die einzelnen Ein- und Ausschaltpulse vom Auge nicht mehr aufgelöst werden können, sondern nur eine Dimmung wahrgenommen wird.
- In einer alternativen Ausführungsform wird über den Halbleiterschalter nur eine teilweise Umleitung des Stromes um die zugehörige LED bewirkt.
- Die Reihenschaltungen mit den LEDs und den zugehörigen Bypass-Schaltungen sind mit der Steuereinheit in einer Baueinheit integriert, welche im oder am Scheinwerfer angeordnet ist.
- Die elektrische Versorgung der LED-Reiheinschaltungen und die Ansteuerung der Steuereinheit erfolgt über ein von dieser Baueinheit räumlich entferntes zentrales Lichtsteuergerät, in dem die Konstantstromquelle zur Stromversorgung der Reihenschaltungen sowie eine Lichtsteuereinheit zur Ansteuerung der Steuereinheit in der LED-Baueinheit untergebracht ist. Zur Stromversorgung von N LEDs sind nur 2 hochstromtragfähige Versorgungsleitungen für die beiden LED-Reihenschaltungen und eine Masseleitung erforderlich. Zur Ansteuerung der Steuereinheit sind zwischen der zentralen Lichtsteuereinheit und der Steuereinheit der LED-Baueinheit nur wenige nicht hochstromtragfähige Steuersignalleitungen (DataIn, DataOut, Clock, Strobe) einschließlich einer TTL-Versorgungsleitung (5 Volt, 10 mA) notwendig. Insgesamt sind in dem dargestellten Beispiel zur Versorgung und Ansteuerung von N LEDs nur 8 Leitungen zwischen dem zentralen Lichtsteuergerät und der LED-Baueinheit im Scheinwerfer erforderlich.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Bypass-Schaltungen mit den Halbleiterschaltern gemeinsam mit den LEDs auf einem Träger, z.B. einer Leiterplatte, angeordnet. Dieser Träger entspricht dann der LED-Baueinheit im Scheinwerfer oder zumindest einem Teil davon. Da die vorzugsweise im PWM-Betrieb angesteuerten Halbleiterschalter in dieser integrierten Ausführungsform räumlich sehr benachbart zu den LEDs angeordnet sind und die Bypassleitungen entsprechend kurz sind, ist die elektromagnetische Störabstrahlung der gesamten Schaltungsanordnung insgesamt gering. Hinsichtlich der Integration ist es besonders vorteilhaft, wenn auch noch die Steuereinheit auf dem Träger angeordnet ist.
- In der zentralen Lichtsteuereinheit wird anhand von bestimmten Eingangsgrößen (z.B. Lichtschalterstellung, Blinkersignal, oder Sensorsignale von verschiedenen Sensoren wie z. B. Lenkwinkelsensor oder Gierratensensor, Fahrgeschwindigkeitssensor, Lichtsensor oder Kamera etc.) anhand zuvor definierter Algorithmen festgelegt, welche LED bzw. welche Gruppen/Teilmengen von LEDs mit welcher Lichtintensität (oder relativen Lichtintensität) eingeschaltet werden sollen, um für eine bestimmte Situation die optimale Lichtverteilung und Reichweite zu erzielen. Diese Informationen werden dann über die Steuersignalleitungen an die Steuereinheit der LED-Baueinheit übertragen, die dann die den LEDs zugeordneten Halbleiterschalter (HS) mit einem der gewünschten Lichtintensität entsprechenden PWM-Signal beaufschlagt.
Claims (9)
- Schaltungsanordnung zur elektrischen Ansteuerung eines Kraftfahrzeug-Scheinwerfers, dessen Lichtquelle aus zwei oder mehr Leuchtdioden (LEDs) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine Reihenschaltung mit zwei oder mehr Leuchtdioden vorgesehen ist, wobei die Reihenschaltung an eine Konstantstromquelle angeschlossen ist, – mindestens einer Leuchtdiode eine steuerbare Bypass-Schaltung zur Steuerung der Lichtintensität dieser Leuchtdiode parallel geschaltet ist, – eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Bypass-Schaltung vorgesehen ist.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit und die mindestens eine Bypass-Schaltung gemeinsam mit den Leuchtdioden in einer an dem Scheinwerfer angeordneten Baueinheit integriert sind.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bypass-Schaltung gemeinsam mit den Leuchtdioden auf einem Träger angeordnet ist.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Steuereinheit auf dem Träger angeordnet ist.
- Schaltungsanordung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der mindestens einen Bypass-Schaltung über einen Halbleiterschalter, insbesondere über einen Feldeffekttransistor erfolgt, der von der Steuereinheit angesteuert wird.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter in einer Schaltposition eine vollständige Umleitung des Stromes um die zugehörige Leuchtdiode über den Bypass und in der anderen Schaltposition eine Sperrung des Bypasses bewirkt.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter über ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal angesteuert wird, wobei die Lichtintensität der zugehörigen Leuchtdiode über das Verhältnis der Pulseinschaltdauer zur Pulsausschaltdauer eingestellt wird.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass über den Halbleiterschalter nur eine teilweise Umleitung des Stromes um die zugehörige Leuchtdiode bewirkt.
- Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – zwei oder mehr Leuchtdioden einer Reihenschaltung jeweils eine steuerbare Bypass-Schaltung parallel geschaltet ist, – die jeweiligen Bypass-Schaltungen getrennt voneinander von der Steuereinheit ansteuerbar sind.
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