DE102007029123A1

DE102007029123A1 - System und Verfahren zur Erfassung der Kennlinien für eine Leuchtdioden-Anordnung

Info

Publication number: DE102007029123A1
Application number: DE102007029123A
Authority: DE
Inventors: Michael Zimmermann; Eduardo Pereira
Original assignee: TridonicAtco Schweiz AG
Current assignee: Tridonic AG
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2009-01-02
Also published as: WO2009000475A2; US8471564B2; EP2160928A2; AT516702B1; US20120139544A1; CN101743780A; AT516702A5; WO2009000475A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Erfassung der Kennlinien für eine Leuchtdioden-Anordnung (1), die zumindest eine Leuchtdiode (2) aufweist, wobei eine Steuereinheit (4) dazu aufgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung (1) zu betreiben und den Diodenstrom (8) und die Spannung (9) an der Leuchtdioden-Anordnung (1) zu erfassen, und wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, bei einer ersten Temperatur der Leuchtdioden-Anordnung (1) ein erstes Strom/Spannungspaar (P1) und ein davon verschiedenes zweites Strom/Spannungspaar (P2) zu erfassen und danach bei zumindest einer zweiten Temperatur der Leuchtdioden-Anordnung (1) ein drittes Strom/Spannungspaar (P3) und ein davon verschiedenes viertes Strom/Spannungspaar (P4) zu erfassen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erfassen der Kennlinien einer Leuchtdioden-Anordnung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Erfassung von Kennlinien einer Leuchtdioden-Anordnung.
Leuchtdioden (LED) haben den Vorteil einer hohen Lebensdauer, weswegen sie für unterschiedliches Bereiche eingesetzt werden. Beispielsweise werden sie oft für Notbeleuchtungen eingesetzt, die automatisch eingeschaltet werden, wenn eine Netzversorgung für andere Leuchtmittel wie beispielweise Gasentladungslampen ausfällt.
Beim Betrieb einer Leuchtdiode wird sowohl die Leuchtdiode als auch der zugehörige Schaltkreis durch den Betrieb erwärmt. Hierdurch können die Lebensdauer der einzelnen Komponenten verringert werden oder eventuell Überbelastungen der Leuchtdiode oder anderer Komponenten entstehen. Das zeitliche Verhalten der Leuchtdioden in Betrieb hinsichtlich Temperaturverhalten, Stromverhalten und Spannungsverhalten ist daher von großem Interesse.
Der Schaltkreis zum Betrieb und zur Ansteuerung der Leuchtdioden muss je nach Art der Leuchtdiode unterschiedliche ausgebildet und unterschiedliche Strom/Spannungs-Werte liefern. Um Schäden an der Leuchtdiode oder am Schaltkreis zu vermeiden, ist es daher notwendig, die Charakteristika der betriebenen Leuchtdiodenanordnung genau zu kennen.
Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, durch welches die Kennlinien einer Leuchtdioden-Anordnung auf einfache Weise erfasst werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen ein System zur Erfassung der Kennlinien für eine Leuchtdioden-Anordnung, die zumindest eine Leuchtdiode aufweist, wobei eine Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung zu betreiben und den Diodenstrom und die Spannung an der Leuchtdioden-Anordnung zu erfassen, und wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, bei einer ersten Temperatur der Leuchtdioden-Anordnung ein erstes Strom/Spannungspaar und ein davon verschiedenes zweites Strom/Spannungspaar zu erfassen und danach bei zumindest einer zweiten Temperatur der Leuchtdioden-Anordnung ein drittes Strom/Spannungspaar und ein davon verschiedenes viertes Strom/Spannungspaar zu erfassen.
Das System kann dazu ausgelegt sein, das erste und zweite sowie das dritte und vierte Strom/Spannungspaar jeweils unmittelbar hintereinander zu messen.
Das System kann dazu ausgelegt sein, weitere Strom/Spannungspaare bei weiteren Temperaturen der Leuchtdioden-Anordnung zu erfassen.
Das System kann dazu ausgelegt sein, das erste und zweite Strom/Spannungspaar unmittelbar nach Inbetriebnahme der Leuchtdioden-Anordnung zu messen, so dass die erste Temperatur der Umgebungstemperatur der Leuchtdioden-Anordnung entspricht.
Das System kann des weiteren dazu ausgelegt sein, bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ aus den bei gleichem Stromfluss und unterschiedlichen Temperaturen gemessenen Spannungswerten V_F2 und V_F1 die aktuelle junction Temperatur T_J zu berechnen aus TJ = 1/γ(VF2 – VF1 + γTU),wobei T_U Umgebungstemperatur ist.
Vorzugsweise ist ein Temperatursensor vorgesehen zum Erfassen der Temperatur der Leuchtdiodenanordnung.
Das System kann des weiteren dazu ausgelegt sein, aus der Differenz zweier für unterschiedliche Temperaturen ermittelter Durchflußspannungswerte V_F20 und V_F10 und aus den gemessenen Temperaturwerten T₁ und T₂ den Temperaturkoeffizienten γ zu berechnen aus
Vorzugsweise kann das System dazu ausgelegt sein, aus der ermittelten Spannungsdifferenz ΔU_F0 zweier für unterschiedliche Temperaturen ermittelter Durchflußspannungswerte der Temperaturänderung Δθ bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ, die Anzahl n der in der Leuchtdiodenanordnung (1) in Serie geschalteten Leuchtdioden (2) zu ermitteln aus
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Kennlinien einer Leuchtdioden-Anordnung, wobei eine Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung zu betreiben und den Diodenstrom und die Spannung an der Leuchtdioden-Anordnung zu erfassen, umfassend die Schritte, Erfassen eines ersten Strom/Spannungspaares und eines davon verschiedenen zweiten Strom/Spannungspaares bei einer ersten Temperatur, und Erfassen eines dritten Strom/Spannungspaares und eines davon verschiedenen vierten Strom/Spannungspaares bei zumindest einer zweiten Temperatur.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Kennlinien einer Leuchtdioden-Anordnung, wobei eine Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung zu betreiben und den Diodenstrom und die Spannung an der Leuchtdioden-Anordnung zu erfassen, umfassend die Schritte, Inbetriebnahme der Leuchtdioden-Anordnung, unmittelbar nach Inbetriebnahme Erfassen eines ersten Strom/Spannungspaares und eines davon verschiedenen zweiten Strom/Spannungspaares bei Umgebungstemperatur, Betreiben der Leuchtdioden-Anordnung über einen vorbestimmten Zeitraum und Erfassen eines dritten Strom/Spannungspaares und eines davon verschiedenen vierten Strom/Spannungspaares bei einer zweiten Temperatur.
Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung sollen nunmehr bezugnehmend auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen und die beiliegenden Figuren der Zeichnungen erläutert werden.
1 zeigt dabei schematisch eine Schaltung zum Betrieb und zur Überwachung einer Leuchtdiodenanordnung,
2 zeigt ein Beispiel für eine Kennlinie einer Leuchtdiode,
3 zeigt die Grundsätze zur Berechnung des Verlaufs einer Kennlinie einer Leuchtdiode,
4 zeigt das Prinzip der temperaturabhängigen Verschiebung der Kennlinie einer Leuchtdiode,
5 zeigt schematisch die Daten, welche zur Bestimmung der Kennlinien gemäß der vorliegenden Erfindung erfasst werden,
6A zeigt ein weiteres Beispiel für das Temperaturverhalten der Kennlinie einer Leuchtdiode,
6B zeigt das temperaturabhängige Verhalten der Kenngrößen eines Schaltkreises,
7 zeigt ein erstes Beispiel für einen Schaltkreis zum Betrieb einer Leuchtdiodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Schaltkreis zum Betrieb einer Leuchtdiodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
9 zeigt schematisch die Schritte zur Bestimmung des Temperaturkoeffizienten gemäß der vorliegenden Erfindung,
10 zeigt schematisch die Schritte zur Erfassung der Junction-Temperatur gemäß der vorliegenden Erfindung und
11 zeigt schematisch die Schritte des Verfahrens zur sicheren Feststellung eines LED-Ausfalls
In der 1 ist eine Leuchtdiodenanordnung 1 gezeigt, die im Ausführungsbeispiel mehrere in Serie geschaltete Leuchtdioden 2 aufweist.
Eine Steuereinheit 4 steuert und/oder regelt den Strom und die Spannung an der Leuchtdiodenanordnung 1. Bevorzugt führt die Steuereinheit 4 einen Konstantleistungsbetrieb oder einen Konstantstrombetrieb aus. Dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuereinheit 4 den tatsächlichen herrschenden Ist-Strom 8 mittels eines Messwiderstands 13 und gegebenenfalls auch die Ist-Spannung 9 der Leuchtdiodenanordnung 1 erfasst und durch einen Regler 10 auswertet.
Der Regler 10 gibt dann eine Steuergröße für die Strom- und/oder Leistungsregelung aus. In Beispiel von 1 steuert der Regler 10 den Steuereingang 12 eines als Transistors implementierten Linearreglers 11 an, der auf der potentialniederen Seite in Serie zu der Diodenstrecke geschaltet ist.
Die Steuereinheit 4 kann funktionell mit einem internen oder externen Speicher verbunden sein in dem wenigstens ein Satz an gemessenen Strom- und Spannungswerten zum späteren Vergleich mit den entsprechenden aktuellen Werten abgelegt und ausgelesen werden kann.
Die Steuereinheit 4 kann weiterhin eine Schnittstelle 6 zum Anschluss an eine externe Datenleitung 7 aufweisen. Über die Datenleitung, die eine Busleitung 7 sein kann, können Sollwerte für die Leistung und/oder den Strom der Leuchtdiodenanordnung 1 beispielsweise von einer Zentrale her zugeführt werden.
Über diese externe Datenleitung 7 können aber auch Befehle zugeführt werden, durch die die Ausführung einer Fehlerüberprüfung durch die Steuereinheit 4 angewiesen und/oder das Ergebnis einer solchen Überprüfung abgefragt werden kann.
Grundsätzlich kann die Steuereinheit 4 dazu ausgelegt sein, die Fehlerüberprüfung kontinuierlich, in zeitlichen Abständen und/oder durch externe Befehle veranlasst durchzuführen. Das Ergebnis der Fehlerüberprüfung kann dann gezeigt, gemeldet oder signalisiert werden.
Der zeitliche Verlauf kann dabei durch eine Auswerteeinheit 14 durch Vergleich aktueller Werte mit beispielsweise abgespeicherten Werten aus der Vergangenheit erfolgen. Alternativ können weitere Daten beispielsweise die zeitliche Ableitung des jeweiligen Parameters ermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Leuchtdiodenanordnung 1 bestehend aus zwei in Serie geschalteten Leuchtdioden 2 beschränkt. Vielmehr kann die Leuchtdiodenanordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere in Serie geschaltete Leuchtdioden 2 umfassen, alternativ auch mehrere parallel geschaltete Leuchtdioden 2 oder auch mehrere parallel geschaltete Leuchtdiodenstrukturen, wobei jede Struktur wiederum eine oder mehrere in Serie geschaltete Leuchtdioden 2 umfassen kann.
Dementsprechend können zur Messung der verschiedenen Leuchtdiodenstrukturen oder der verschiedenen parallel und/oder in Serie geschalteten Leuchtdioden 2 oder Leuchtdiodenanordnungen 1 mehrere Einheiten zur Erfassung des Ist-Stroms 8 oder der Ist-Spannung 9 vorgesehen sein. Dementsprechend kann der Schaltkreis auch einen oder mehrere Schalter umfassen um selektiv bestimmte Leuchtdioden oder Leuchtdiodenstrukturen ansteuern zu können.
Die Steuereinheit 4 ist weiterhin dazu ausgelegt, die Leuchtdiodenanordnung 1, einzelne Leuchtdioden 2 oder einzelne Leuchtdiodenstrukturen anzusteuern und bei verschiedenen Leistungsbetrieben zu betreiben, d. h., bei verschieden Werten von Strom und/oder Spannung zu betreiben. Insbesondere ist die Steuereinheit 4 gemäß der vorliegenden Erfindung dazu ausgelegt, die Leuchtdiodenanordnung 1, die Leuchtdioden 2 oder Leuchtdiodenstrukturen in zumindest zwei Betriebsarten zu betreiben, wobei in der ersten Betriebsart die Leuchtdiodenanordnung mit einer niedrigeren Leistung bzw. einem geringeren Strom/Spannungspaar betrieben wird und in der zweiten Betriebsart die Leuchtdiodenanordnung 1 mit einer höheren Leistung bzw. mit einem höheren Strom/Spannungspaar betrieben wird.
2 zeigt ein Beispiel für einen typischen Kennlinienverlauf einer Leuchtdiode (LED). Die Kennlinie ist hierbei als Kurve innerhalb eines Koordinatensystems aufgetragen, bei welchem auf der X-Achse die Vorwärtsspannung U_F, d. h. die Spannung mit der die Leuchtdiode 2 bzw. die Leuchtdiodenanordnung 1 betrieben wird, dargestellt ist und bei welchem auf der Y-Achse der Vorwärtsstrom I_F dargestellt ist, d. h. der Strom, welcher durch die Leuchtdiode 2 bzw. die Leuchtdiodenanordnung 1 fließt. Bekanntlich sieht der Kennlinienverlauf einer Leuchtdiode derart aus, dass erst ab einer definierten Durchflussspannung ein Stromfluss beginnt. Idealerweise würde der Widerstand der Leuchtdiode im Bereich größer als die Durchflussspannung gleich 0 sein, und der Strom steil ansteigen. In der Praxis steigt die Kennlinie im Bereich oberhalb der Durchflussspannung mit einer wesentlichen konstanten Steigung an.
Anhand von 3 wird schematisch erläutert, wie die Kennlinie einer Leuchtdiode mathematisch beschrieben wird. Wie aus 2 und 3 ersichtlich, steigt die Kennlinie im Wesentlichen linear an. Lediglich knapp oberhalb des Durchflussstromes weicht der tatsächliche von dem linearen Verlauf ab.
Im Bereich des linearen Verlaufs der Kennlinie wird anhand von zwei Messwerten eine Spannungsdifferenz ΔU_F und Stromdifferenz ΔI_F berechnet. Die Steigung der Geraden berechnet sich dann aus
wobei ΔR dem dynamischen Widerstand entspricht.
Die Durchflussspannung U_F0 (im folgenden teilweise auch als VF₀ bezeichnet) wird theoretisch durch Extrapolation der Kennliniengeraden ermittelt und U_F0 entspricht dem Schnittpunkt der extrapolierten Kennliniengeraden mit der X-Achse. Der Kennlinienverlauf U_FLED lässt sich somit beschreiben als UFLED = UF0 + ΔR·IF (2).
Die Durchflussspannung und damit die Kennlinie driftet thermisch, ein typischer Wert ist dabei –3 mV/K. Eine solche Temperaturdrift ist schematisch in 4 dargestellt. In 4 sind drei verschiedene Kennlinien einer Diode gezeigt, wobei jede Kennlinie einer unterschiedlichen Temperatur der Diode entspricht. Die Steigung der Kennlinien K1 bis K3 ist hierbei identisch, lediglich die Durchflussspannung U_F0 variiert. Hierbei ist die Durchflussspannung U_F0 am niedrigsten bei der Kennlinie K3 und am höchsten bei der Kennlinie K1. Die Kennlinie K3 entspricht hierbei der höchsten Temperatur und die Kennlinie K1 der niedrigsten Temperatur. Die Änderung der Durchflussspannung wird im Folgenden mit ΔU_F0 gekennzeichnet.
5 zeigt schematisch das Vorgehen zur Bestimmung der Kennlinien einer Leuchtdiode 2 oder einer Leuchtdiodenanordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß wird dabei eine Vierpunktmessung vorgeschlagen, bei der zuerst ein Stromspannungsmessung bei kleiner Leistung und somit im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur und danach sehr schnell bei hoher Leistung erfolgt. Somit sind bereits die zwei geraden Punkte für die Umgebungstemperatur bekannt. Dies ist schematisch in 5 dargestellt, wobei P1 dem Punkt auf der Kennliniengeraden bei Umgebungstemperatur entspricht, welcher bei niedriger Leistung gemessen wird. Der Punkt P2 entspricht dem Punkt auf der Kennliniengerade bei Umgebungstemperatur, welcher bei hoher Leistung gemessen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es hierbei von Bedeutung, dass die Messungen der Punkte P1 und P2 in kurzem zeitlichen Abstand erfolgen, so dass noch keine signifikante Erwärmung der Leuchtdiode 2 stattgefunden hat. Durch die beiden gemessenen Punkte P1 und P2, welche jeweils einem Stromspannungspaar entsprechen, kann somit die Kennlinie der Leuchtdiode bei Umgebungstemperatur eindeutig bestimmt werden.
Nach diesen Messungen wird die Diode eine vorbestimmte Zeit bei hoher Leistung betrieben, wodurch sie sich erwärmt. Anschließend wird bei dieser höheren Temperatur wiederum bei hoher Leistung eine Stromspannungsmessung durchgeführt und danach wiederum in sehr kurzem Zeitabstand eine Messung bei geringer Leistung. Somit können für eine zweite Kennlinie bei einer höheren Temperatur ebenfalls zwei Messpunkte erfasst werden. Dies ist schematisch in 5 dargestellt, wobei der Punkt P3 dem gemessenen Stromspannungspaar bei hoher Temperatur und hoher Leistung entspricht, und der Punkt P4 dem gemessenen Stromspannungspaar bei hoher Temperatur und niedriger Leistung.
Anstatt das erste Stromspannungspaar P1 und P2 bei Umgebungstemperatur aufzunehmen, kann das erste Paar P1 und P2 auch bei einer von der Umgebungstemperatur abweichenden Temperatur aufgenommen werden. Wichtig ist lediglich, dass zwischen den Temperaturen der beiden Kennlinien ein genügend großer Abstand ist, so dass aus den aufgenommenen Kennlinien auf ein Temperaturverhalten der Leuchtdiode geschlossen werden kann. Des Weiteren ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der erste Messpunkt P1 und der letzte Messpunkt P4 bei einer ersten Betriebsart gemessen werden und der zweite Messpunkt P2 und der dritte Messpunkt P3 bei einer zweiten Betriebsart gemessen werden. Dies vereinfacht die Ansteuerung, da nur zwei voreingestellte Betriebsarten gespeichert und verwendet werden müssen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, vier verschiedene Betriebsarten zur Messung der Punkte zu verwenden. Wichtig ist dabei lediglich, dass die jeweils innerhalb einer Kennlinie gemessenen Punkte bei genügend beabstandeten Leistungen gemessen werden, so dass ein Erstellung der Kennlinie ermöglicht wird.
Des weiteren ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Messung von lediglich vier Strom/Spannungspaaren beschränkt. Vielmehr ist es auch möglich, bei weiteren Temperaturen weitere Messpunkte aufzunehmen, um die Genauigkeit der ermittelten Kennlinien und des ermittelten Temperaturverhaltens zu erhöhen. Des weiteren ist es auch möglich, für jede Temperatur mehr als zwei Messpunkte der Kennlinien-Geraden aufzunehmen.
Vorteilhafterweise wird mit den Kennlinien auch die jeweilige Betriebstemperatur mit erfasst. In einem vereinfachten Verfahren kann man hierbei direkt nach Anschalten der Leuchtdiode von Umgebungstemperatur ausgehen. Nach einem ausreichend langen Betrieb der Leuchtdiode bei hoher Leistung kann, da in der Regel die Betriebstemperatur des Chips bei nominalem Arbeitsstrom bekannt ist, von der Betriebstemperatur ausgegangen werden. Die eventuelle Abweichung der Arbeitstemperatur durch einen Offset durch eine abweichende Umgebungstemperatur kann für dieses allgemeine Verfahren ohne Temperaturmessung vernachlässigt werden.
Für eine genaue Bestimmung der Kennlinien und Kennwerte kann die Temperatur auch mittels eines Sensors erfasst werden. Dies ist insbesondere bei der Kalibration des Leuchtdiodenmoduls von Vorteil, in späteren Verfahren kann aufgrund der ermittelten und abgespeicherten Kennlinien auch auf die Temperaturmessung verzichtet werden. Zur Temperaturmessung ist das Leuchtdiodenmodul mit einem genauen Thermoelement 21 ausgestattet, welches es erlaubt, die absolute Temperatur auf dem Modul zu erheben. Idealerweise misst der Temperatursensor 21 hierbei die Temperatur der Junction der Leuchtdiode, in der die temperaturabhängigen physikalischen Prozesse ablaufen.
9 zeigt schematisch das Verfahren zur Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der Leuchtdiode. In einem ersten Schritt SO wird der Kalibrationsbefehl an die Schaltordnung gegeben und von der Steuereinheit verarbeitet. Die folgenden Schritte werden dann jeweils durch die Steuereinheit bzw. den Leuchtdiodencontroller durchgeführt. In einem nächsten Schritt S1 wird die Temperatur T₁ des Moduls erfasst. Anschließend wird im Schritt S2 mittels eines Referenzstromes die Vorwärtsspannung V_F1 der Leuchtdiode ermittelt und dieser Wert dem gemessenen Temperaturreferenzwert T₁ zugewiesen und beide Werte zusammen abgespeichert. Im folgenden Schritt S3 wird die Leuchtdiode über einen gewissen Zeitraum betrieben. Im folgenden Schritt S4 wird die Temperatur T₂, die sich mittlerweile im Arbeitsbetrieb eingestellt hat, gemessen. In einem nächsten Schritt S5 wird dann mittels des in Schritt S2 verwendeten Referenzstromes die aktuelle neue Vorwärtsspannung Vgl ermittelt und diese zusammen mit der Temperatur T₂ gespeichert.
Der Temperaturkoeffizient γ, welcher die Temperaturdrift angibt, kann dann berechnet werden als
Alternativ kann nach Ermitteln zweiter Kennlinien durch Extrapolation der Kennlinie auch die theoretische Durchflussspannung V_F0 für jede der Kennlinien ermittelt werden, so dass sich die Temperaturdrift dann ergibt aus
wobei V_F20 und V_F10 jeweils die Werte für die Durchflussspannung der ermittelten Kennlinien sind. Der bei der Verwendung der Durchflussspannung liegt darin, dass durch die Normierung auf den Nullpunkt die zwei Strompunkte weniger exakt ausgelegt sein müssen, d. h. dass zwar der Stromfluss bekannt sein, aber nicht den exakt gleichen wert aufweisen muss.
Dies gilt darüber hinaus für alle vorgeschlagenen Verfahren, bei denen zwei Spannungswerte für verschiedene Kennlinien bei einem bestimmten Referenzstrom ermittelt werden: Alternativ kann auch die Kennlinien-Gerade extrapoliert werden, um die Durchflussspannung zu ermitteln und so auf die exakte Messung eines Referenzstromes verzichten zu können.
Herstellerseitig wird zwar der Temperaturkoeffizient für jede Leuchtdiode angegeben, allerdings können diese Werte für verschiedene Leuchtdioden, Größen, Farben oder auch Schaltanordnungen variieren. Mit dem vorgeschlagenen Kalibrationsverfahren ist es möglich, schaltungsbezogen und für jede Leuchtdiode bzw. jede Leuchtdiodenanordnung den Temperaturkoeffizienten individuell und genau zu bestimmen.
Das Verfahren nach 9 kann auch dahingehend angewendet werden, dass nach einer einmaligen Ermittlung des Temperaturkoeffizienten γ bei folgenden Strom bzw. Spannungsmessungen γ als feste Größe in der Formel (3) bzw. (3a) eliminiert werden kann und somit über die Temperatur und Spannung auf einen Fehler in der Leuchtdiodenanordnung geschlossen werden kann. D. h. bei bekannten γ wird so die Erkennung eines Fehlers der Leuchtdiode bzw. Leuchtdioden-Anordnung 1 ermöglicht.
In einer ersten Anwendung der vorliegenden Erfindung kann nun nach erfolgter Kalibration durch das erfindungsgemäß vorgeschriebene Verfahren der Vierpunktmessung im laufenden Betrieb jeweils die Junction Temperatur, d. h. die Temperatur des Chips erfasst werden. Das Verfahren beruht nun darauf, dass mittels dem Referenzwert der Leuchtdiodenspannung und den Messungen im Betrieb die Differenz gebildet wird und gemäß Umstellung der Formel (3) auf die vorherrschende Junction Temperatur zurückgeschlossen werden kann. Dieses Verfahren ist in 10 nochmals dargestellt.
In einem ersten Schritt S10 befindet sich die Leuchtdiode in ausgeschaltetem Zustand. Kurz nach Anschalten der Diode wird in einem Schritt S11 die Modultemperatur mittels Sensor 21 erfasst. Im folgenden Schritt S12 wird die Vorwärtsspannung V_F mit Referenzstrom A erfasst und im nachfolgenden Schritt S13 die Vorwärtsspannung V_F mit Referenzstrom B erfasst. Anschließend wird die Kennliniengerade in Schritt S14 berechnet, des Weiteren wird die Durchflussspannung V_F0 bei Starttemperatur berechnet und diese Kennwerte werden gespeichert. Im laufenden Betrieb der Leuchtdiode werden dann in Schritt S15 die Vorwärtsspannung V_F und/oder der Vorwärtsstrom erfasst und hieraus die Durchflussspannung V_F0 bestimmt und durch Umstellung der Formel (3) durch Differenzbildung dann die Junction Temperatur T_J berechnet. Im folgenden Schritt S16 kann die Junction Temperatur T_J durch entsprechende Ansteuerung der Leuchtdiode verändert werden. Im folgenden Schritt S17 sind weitere Vorgehensweise möglich, beispielsweise kann ein DALI Status gesetzt werden oder ein Emergency Bit, wenn die Leuchtdiode defekt ist.
Im einfachsten Fall kann nach erfolgter Kalibrierung oder bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ die Junction Temperatur T_J ohne Temperaturmessung ermittelt werden aus TJ = 1/γ(VF2 – VF1 + γTU), (3b)wobei T_U Umgebungstemperatur ist.
Wie bereits erläutert, kann in obiger Formel (3b) alternativ auch statt der Spannungswerte bei bestimmten Stromreferenzwerten auch die jeweilige Durchflussspannung V_F10 und V_F20 ermittelt werden und diese dann in die Formel eingesetzt werden.
Die Vorteile dieses Verfahrens werden im Folgenden unter anderem anhand von 6A und 6B erläutert. 6A zeigt nochmals verschiedene Kennlinien für verschiedene Temperaturen T₁ bis T₅, wobei T₁ größer ist als T₂ usw.
6B zeigt die Stromspannungsverhältnisse im Schaltungskreis, welche ebenfalls temperaturabhängig sind. Die Abweichungen vom nominalen Wert sind in 6B als gestrichelte Linien dargestellt. Wenn derselbe Stromfluss bei verschiedenen Temperaturen verwendet wird, kann das aufgrund der Parameterabweichungen zu Variationen innerhalb des Schaltungskreises führen. Mit der vorgeschlagenen Methode, da die Kennlinien bekannt sind, kann auf eine Rückführung der Leuchtdiodenleistungsgrößen verzichtet werden, da ja bekannt ist, welche Stromspannungsverhältnisse bei vorgegebenen Strom bzw. vorgegebner Spannung vorliegen. Gemäß der vorliegenden Methode basieren die Messungen somit allein auf den Größen der Leuchtdiode. Veränderungen im Schaltungskreis können somit als Messfehlerquelle umgangen werden.
Mit dem vorliegenden Verfahren zur Bestimmung der Junction Temperatur ist somit die sichere Erkennung eines Leuchtdiodenausfall insbesondere in Notfallanwendungen möglich. Des Weiteren kann die Korrektur der Leuchtdiodenansteuerung variiert werden anhand der Temperatur, was wichtig ist, da Licht Output und Wellenlänge mit der Junction Temperatur wandern. Des Weiteren ist gemäß der vorliegenden Erfindung nur ein Thermosensor 21 nötig, welcher je nach der Abschaltzeit sogar im Steuergerät 4 sein kann. Des Weiteren ist keine oder nur eine minimale Zusatzverdrahtung nötig, da die Junction Temperatur für jeden Kanal separat bestimmbar ist. Die zwei Messpunkte benötigten des Weiteren keine genaue Stromstellung, lediglich der effektive Stromwert muss bekannt sein, damit die Arbeitsgerade berechnet werden kann.
In weiteren Anwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung wird es ermöglicht, die Anzahl von in Serie oder parallel geschalteten Leuchtdioden innerhalb einer Leuchtdiodenanordnung 1 zu ermitteln und/oder auch die jeweils angeschlossenen Farbgruppen zu ermitteln.
Die Verschiebung ΔU_F0 der Durchflussspannung ist für jede Diode, da für jeden Halbleiter unterschiedlich. Damit gilt
Hierbei ist Δθ die Temperaturänderung, γ der Temperaturkoeffizient und n gibt die Anzahl der Leuchtdioden in Serie an.
Zur Bestimmung der Anzahl der Dioden in Serie wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Kennlinie mittels Vierpunktmessung bestimmt und weitergehend ausgewertet. Aus der temperaturabhängigen Verschiebung der Kennlinie (dem Delta der Flussspannung pro Kelvin, welches für verschiedene Materialien für die Leuchtdiodenchips unterschiedlich ist) wird auf die Farbe der Leuchtdiode geschlossen. Entscheidend ist dabei der Temperaturkoeffizient, der vom Halbleitermaterial abhängt und aus dem sich die Steilheit der Stromspannungskennlinie ergibt. Abhängig von diesem Kennwert ist die Änderung der Verschiebung der Kennlinie über die Temperatur unterschiedlich groß für unterschiedliche Leuchtdiodenchips, dieses unterschiedliche Delte pro Kelvin kann dann für die Erkennung des Leuchtdiodenchips und somit der Farbe herangezogen werden.
Wenn die Änderung der Flussspannung aufgrund der Temperaturänderung und die Temperaturänderung selbst, d. h., wenn ΔU_F0 und Δθ bekannt sind, dann kann mittels Umstellung der Formel (4) der Temperaturkoeffizient γ bestimmt werden. Anhand von Messungen an mehreren Punkten und im Wissen von möglichen Temperaturkoeffizienten, welche sich aus entsprechenden Tabellen für verschiedene Chips ergeben, kann auch auf die Anzahl der angeschlossenen Leuchtdioden geschlossen werden, da sich nur für gewisse Kombinationen sinnvolle Koeffizienten ergeben.
7 und 8 zeigen zwei Beispiele für eine entsprechende Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist jeweils eine Leuchtdiodenanordnung 1 dargestellt, welche drei parallele Serien von Leuchtdioden umfasst. Des Weiteren ist eine Steuereinheit 4 vorgesehen, welche eine Spannungsquelle sowie eine zentrale Kontrolleinheit 20 umfasst. Je nach Bedarf sind weitere Komponenten 22 vorgesehen, welche einen Schalter, einen Widerstand oder andere notwendige Komponenten umfassen können. In der ersten Schaltung gemäß 7 ist der Temperatursensor 21 innerhalb der Leuchtdiodenanordnung 1 vorgesehen. Alternativ hierzu kann der Temperatursensor, auch wie in 8 dargestellt, innerhalb der Steuereinheit 4 vorgesehen sein. Der Temperatursensor 21 liefert hierbei die gemessenen Daten an die zentrale Steuereinheit 20.
Mit dem vorliegenden Verfahren können in einer weiteren Anwendung auch verschiedene Farbgruppen unterschieden werden. Es werden z. B. für Rot andere Halbleiterchips verwendet als für Weiß und Blau. Hierbei wird insbesondere zwischen zwei Farbgruppen unterschieden, wobei eine erste Farbgruppe die Kaltfarben wie Blue, White, Green und Cyan umfasst und eine zweite Farbgruppe, die Warmfarben wie Amber, Yellow und Red. Die vorliegende Methodik beschreibt einen Kalibrierzyklus, welcher die totale Vorwärtsspannung pro Kanal, d. h. die Vorwärtsspannung pro in Serie geschaltete Dioden, die Junction Temperatur pro Kanal, den Temperaturkoeffizienten pro Kanal und den dynamischen Widerstand ΔR pro Kanal bestimmt. Mit diesen Werten kann schließlich sicher die angeschlossene Farbe bzw. Farbgruppe und die Leuchtdioden pro Kanal bestimmt werden. Ein Beispiel für eine entsprechende Berechnung ist in 11 dargestellt. 11 zeigt des weiteren die Verfahrensschritte zur sicheren Erkennung eines LED-Ausfalls.
Diese Bestimmung kann verschiedene Vorteile in der Anwendung von Konvertern und Leuchtdiodenmodulen, z. B. im Bereich der Vitrinenbeleuchtung bringen. In Vitrinen kommen des Öfteren zwei Farbsysteme zur Verwendung, wobei z. B. Weiß die Hauptfarbe und Rot/Amber die Korrekturfarbe in einer Dimension darstellt. Die automatische Bestimmung der angeschlossenen Farbe ermöglicht eine freie Wahl der Anschlüsse für den Monteur. Zudem kommt es auch für den Controller nicht darauf an, ob nun zwei Ausgangsstufen mit weißen Leuchtdioden beschaltet werden und nur ein Kanal mit roten Leuchtdioden oder umgekehrt. Die Software passt nach der Durchführung des Mess- und Kalibrationsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung die Steueralgorithmik dementsprechend an. Denn in solchen Anwendungen geht es vielfach nur darum, den Farbort in kältere oder wärmere Richtungen zu verschieben (z. B. kaltes Weiß mit zusätzlichem Rot oder Orange oder beidem). Als Beispiel kann in einer Vitrine mit Silber Kaltweiß zum Einsatz kommen und in einer Vitrine mit Gold Warmweiß. In diesem Fall setzt der Controller auf Befehl den Rotanteil hoch.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zusätzlich in Kombinationen mit einem Farbsensor oder auch ohne Farbsensor verwendet werden. Während bei der Kombination mit einem Farbsensor dieser oft bei der Bestimmung der angeschlossenen Leuchtdiodenfarbe behilflich sein kann, so wäre er mittels des vorgeschlagenen Verfahrens nicht nötig. In vielen Anwendungen kann somit mittels der vorgeschlagenen Methode auf einen solchen Sensor verzichtet werden.
Mittels der vorgeschlagenen Methode wird somit des Weiteren eine komplizierte Inbetriebnahme oder Verdrahtung bei der Montage vermieden. Dies ist insbesondere wichtig bei einem Sensor oder Licht feedback bei getrennten Steuereinheiten. Des Weiteren wird die Standardisierung vereinfacht.

Claims

System zur Erfassung der Kennlinien für eine Leuchtdioden-Anordnung (1), die zumindest eine Leuchtdiode (2) aufweist, wobei eine Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung (1) zu betreiben und den Diodenstrom (8) und die Spannung (9) an der Leuchtdioden-Anordnung (1) zu erfassen, und wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, bei einer ersten Temperatur der Leuchtdioden-Anordnung (1) ein erstes Strom/Spannungspaar (P1) und ein davon verschiedenes zweites Strom/Spannungspaar (P2) zu erfassen und danach bei zumindest einer zweiten Temperatur der Leuchtdioden-Anordnung (1) ein drittes Strom/Spannungspaar (P3) und ein davon verschiedenes viertes Strom/Spannungspaar (P4) zu erfassen.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, das erste und zweite sowie das dritte und vierte Strom/Spannungspaar jeweils unmittelbar hintereinander zu messen.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, weitere Strom/Spannungspaare bei weiteren Temperaturen der Leuchtdioden-Anordnung (1) zu erfassen.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, das erste und zweite Strom/Spannungspaar unmittelbar nach Inbetriebnahme der Leuchtdioden-Anordnung zu messen, so dass die erste Temperatur der Umgebungstemperatur der Leuchtdioden-Anordnung (1) entspricht.
System nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ aus den bei gleichem Stromfluss und unterschiedlichen Temperaturen gemessenen Spannungswerten V_F2 und V_F1 die aktuelle junction Temperatur T_J zu berechnen aus TJ = 1/γ(VF2 – VF1 + γTU),wobei T_U Umgebungstemperatur ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Temperatursensor (21) vorgesehen ist zum Erfassen der Temperatur der Leuchtdiodenanordnung (1).
System nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, aus der Differenz zweier für unterschiedliche Temperaturen ermittelter Durchflußspannungswerte V_F20 und V_F10 und aus den gemessenen Temperaturwerten T₁ und T₂ den Temperaturkoeffizienten γ zu berechnen aus
System nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, aus der ermittelten Spannungsdifferenz ΔU_F0 zweier für unterschiedliche Temperaturen ermittelter Durchflußspannungswerte und der Temperaturänderung Δθ bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ, die Anzahl n der in der Leuchtdiodenanordnung (1) in Serie geschalteten Leuchtdioden (2) zu ermitteln aus
Verfahren zur Erfassung der Kennlinien einer Leuchtdioden-Anordnung (1), wobei eine Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung (1) zu betreiben und den Diodenstrom (8) und die Spannung (9) an der Leuchtdioden-Anordnung (1) zu erfassen, umfassend die Schritte, – Erfassen eines ersten Strom/Spannungspaares (P1) und eines davon verschiedenen zweiten Strom/Spannungspaares (P2) bei einer ersten Temperatur, und – Erfassen eines dritten Strom/Spannungspaares (P3) und eines davon verschiedenen vierten Strom/Spannungspaares (P4) bei zumindest einer zweiten Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend Messen des ersten und zweiten sowie des dritten und vierten Strom/Spannungspaar jeweils unmittelbar hintereinander.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, umfassend Messen weiterer Strom/Spannungspaare bei weiteren Temperaturen der Leuchtdioden-Anordnung (1).
Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, umfassend Messen des ersten und zweiten Strom/Spannungspaar unmittelbar nach Inbetriebnahme der Leuchtdioden-Anordnung, so dass die erste Temperatur der Umgebungstemperatur der Leuchtdioden-Anordnung (1) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend: Berechnen der aktuellen junction Temperatur T_J bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ aus den bei gleichem Stromfluss und unterschiedlichen Temperaturen gemessenen Spannungswerten V_F2 und V_F1 aus TJ = 1/γ(VF2 – VF1 + γTU),wobei T_U Umgebungstemperatur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, umfassend Vorsehen eines Temperatursensors (21) zum Erfassen der Temperatur der Leuchtdiodenanordnung (1).
Verfahren nach Anspruch 14, umfassend: Berechnen des Temperaturkoeffizienten γ aus der Differenz zweier für unterschiedliche Temperaturen ermittelter Durchflußspannungswerte V_F20 und V_F10 und aus den gemessenen Temperaturwerten T₁ und T₂ aus
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, umfassend: Ermitteln der Anzahl n der in der Leuchtdiodenanordnung (1) in Serie geschalteten Leuchtdioden (2) aus der ermittelten Spannungsdifferenz ΔU_F0 zweier für unterschiedliche Temperaturen ermittelter Durchflußspannungswerte und der Temperaturänderung Δθ bei bekanntem Temperaturkoeffizienten γ aus
Verfahren zur Erfassung der Kennlinien einer Leuchtdioden-Anordnung (1), wobei eine Steuereinheit (4) dazu ausgelegt ist, die Leuchtdioden-Anordnung (1) zu betreiben und den Diodenstrom (8) und die Spannung (9) an der Leuchtdioden-Anordnung (1) zu erfassen, umfassend die Schritte, – Inbetriebnahme der Leuchtdioden-Anordnung (1), – Unmittelbar nach Inbetriebnahme Erfassen eines ersten Strom/Spannungspaares (P1) und eines davon verschiedenen zweiten Strom/Spannungspaares (P2) bei Umgebungstemperatur, – Betreiben der Leuchtdioden-Anordnung (1) über einen vorbestimmten Zeitraum und – Erfassen eines dritten Strom/Spannungspaares (P3) und eines davon verschiedenen vierten Strom/Spannungspaares (P4) bei einer zweiten Temperatur.