DE102007042561A1

DE102007042561A1 - Detecting and compensating for LED failures in long LED chains

Info

Publication number: DE102007042561A1
Application number: DE102007042561A
Authority: DE
Inventors: Peter Schilling; Michael Schäfer
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-12
Also published as: WO2009034014A3; WO2009034014A2; EP2191694A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, bestehend aus einer Reihenschaltung von LEDs (LED-Kette), wobei die LEDs (L1-L6) von einer gesteuerten Stromquelle (14) versorgt werden. Der erfinderische Grundgedanke liegt darin, durch zusätzliche Beschaltung der LED-Kette ein regelungstechnisches Verfahren zu realisieren, mit dem der Ausfall einer LED oder mehrerer LEDs (L1-L6) erkannt und kompensiert werden kann und so die Lichtaussendung mit den funktionstüchtigen LEDs weiterhin gewährleistet. Hierzu sind erfindungsgemäß weitere, insbesondere parallel zu der LED oder parallel zu einer Grupphen. Diese Schaltelemente (S1-S6) werden, ausgehend von einer Fehlererkennungseinheit (4), über eine Schaltersteuereinheit (6) gesteuert und ermöglichen durch Überbrückung der defekten LEDs den Stromfluss durch die Kette aufrechtzuerhalten und verhindern damit den Ausfall der gesamten Kette.The invention relates to a circuit arrangement consisting of a series connection of LEDs (LED chain), wherein the LEDs (L1-L6) are powered by a controlled current source (14). The inventive idea is to realize by additional wiring of the LED chain a control engineering process with which the failure of one LED or multiple LEDs (L1-L6) can be detected and compensated and so continue to ensure the light emission with the functional LEDs. For this purpose, according to the invention further, in particular parallel to the LED or parallel to a group. These switching elements (S1-S6), starting from an error detection unit (4), controlled by a switch control unit (6) and allow bridging the defective LEDs to maintain the flow of current through the chain, thus preventing the failure of the entire chain.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Erkennung und zur Kompensation von LED-Ausfällen in LED-Ketten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.The The invention relates to an electrical circuit arrangement according to the preamble of claim 1 and a method for detection and compensation of LED failures in LED chains according to the preamble of claim 6.

Leuchtdioden (Light-Emitting-Diodes, LED's) zählen zu den optoelektronischen Halbleiterbauelementen. Entsprechend ihrer Diodencharakteristik senden sie Licht aus, wenn sie unter Anlegen einer Durchlassspannung in Durchlassrichtung betrieben werden, wobei die Leuchtdichte in weiten Bereichen proportional zum Durchlassstrom ist.LEDs (Light Emitting Diodes, LEDs) are among the optoelectronic semiconductor devices. According to her Diode characteristic, they emit light when under application a forward voltage to be operated in the forward direction, wherein the luminance in wide ranges proportional to the forward current is.

Neben ihrer Funktion als Anzeigeelemente in Halbleiterschaltungen finden LED's Anwendung in Hinterleuchtungen von Displays. Diese Hinterleuchtungen sind in ihrer Leuchtdichte an die herrschenden Umgebungsbedingungen anzupassen und müssen gegebenenfalls sehr hell sein; beispielsweise sei hier die Anwendung für Fahrerinformationssysteme im Automobilbereich genannt. Daher wird oftmals eine Vielzahl von LED's zusammengeschaltet, um die erforderliche Helligkeit zu erzielen. Bei der Verwendung vieler LED's stellt sich das Problem der schaltungstechnischen sowie der räumlichen Anordnung der LED's. Charakteristischer Parameter für die schaltungstechnische Anordnung der LED's ist die mit herstellungsbedingten Toleranzen behaftete Durchlassspannung sowie deren Änderung durch Temperaturschwankungen. Zudem führen Änderungen dieser Kenngröße während der Betriebsdauer zu Änderungen der Helligkeit einzelner LED's und damit zu einer inhomogenen Ausleuchtung der Displays.Next find their function as display elements in semiconductor circuits LED's application in backlighting of displays. These backlights are in their luminance to adapt to the prevailing environmental conditions and must if necessary be very bright; for example, here is the application for driver information systems in the Car area called. Therefore, often a plurality of LEDs is interconnected, to achieve the required brightness. When using many LED's the problem of the circuitry as well as the spatial Arrangement of the LEDs. Characteristic parameter for the circuit arrangement of the LED's is the production-related Tolerances associated with forward voltage and their change due to temperature fluctuations. In addition, changes in this characteristic during the Operating time to changes the brightness of individual LEDs and thus to an inhomogeneous illumination of the displays.

Als Stand der Technik hat sich die Anordnung mehrerer LED's in einer Reihenschaltung, einer sogenannten LED-Kette, durch gesetzt. Die Kettenlänge richtet sich dabei nach der zur Verfügung stehenden Eingangsspannung und der maximalen Durchlassspannung der LED's im Betriebsbereich. Um bei Ausfall einer LED dem Risiko eines Totalausfalls der Beleuchtung entgegen zu wirken, werden die LED's auf mehrere parallel geschaltete Ketten verteilt. Dennoch bleibt für eine bestimmte Kette wegen der Reihenschaltung der Dioden bei Ausfall einer einzigen LED der Stromfluss durch die betreffende Kette unterbrochen und somit die gesamte Kette dunkel.When The prior art has involved the arrangement of a plurality of LEDs in a series connection, a so-called LED chain, set by. The chain length straightens doing so after the available standing input voltage and the maximum forward voltage of LEDs in the operating area. Around If one LED fails, the risk of a total failure of the lighting counteract, the LEDs are on several parallel-connected chains distributed. Nevertheless, it remains for a certain chain because of the series connection of the diodes in case of failure a single LED interrupted the flow of current through the chain in question and thus the whole chain dark.

Die Aufteilung der LED's auf mehrere Ketten bringt zudem den Nachteil mit sich, dass der Strom durch jede LED-Kette separat geregelt werden muss, um die Toleranzen der Durchlassspannungen und die Temperaturdrift auszugleichen. Es muss also für jede Kette eine eigene Stromregelung vorgesehen werden.The Distribution of the LEDs on several chains also brings with it the disadvantage that the Power through each LED chain must be regulated separately to the To compensate for tolerances of the forward voltages and the temperature drift. So it has to be for everyone Chain can be provided its own power control.

Die parallel geschalteten Ketten liegen an einer gemeinsamen Spannungsquelle konstanter Spannung, wodurch sich der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung verschlechtert, weil die Unterschiede zwischen den LED-Durchlassspannungen in Verlustleistungen umgesetzt werden P_v = dU × I_LED. Die erhöhte Verlustleistung führt zu einer Temperaturerhöhung der Schaltung und damit zu einer Reduktion der Lebensdauer und einer erhöhten Ausfallrate. Wird die Verlustleistung zu groß, ist also für jede Kette eine eigene Stromversorgung zwingend erforderlich.The parallel-connected chains are connected to a common voltage source of constant voltage, whereby the efficiency of the circuit deteriorates because the differences between the LED forward voltages are converted into power losses P _v = dU × I _LED . The increased power loss leads to a temperature increase of the circuit and thus to a reduction of the service life and an increased failure rate. If the power loss is too large, so for each chain its own power supply is absolutely necessary.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art so weiter zu entwickeln und ein mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ausführbares Verfahren bereitzustellen, dass eine homogene Ausleuchtung bei minimaler Verlustleistung erreicht werden kann.Of the The invention is therefore based on the object, a circuit arrangement to further develop the type described above and one with the Circuit arrangement according to the invention executable To provide a method that homogeneous illumination with minimal Power loss can be achieved.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 1 und die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 6 gelöst.These The object is achieved by the characterizing features in claim 1 and the characterizing features solved in claim 6.

Der erfinderische Grundgedanke der Lösung in den Merkmalen des Hauptanspruchs und in den Merkmalen des unabhängigen Nebenanspruchs 6 liegt darin, durch zusätzliche Beschaltung der LED-Kette ein regelungstechnisches Verfahren zu realisieren, mit dem der Ausfall einer LED oder mehrerer LED's erkannt und kompensiert werden kann und so die Lichtaussendung mit den funktionstüchtigen LED's weiterhin gewährleistet. Hierzu sind erfindungsgemäß weitere, insbesondere parallel zu der LED oder parallel zu einer Gruppe von LED's liegende Schaltelemente vorgesehen. Diese Schaltelemente ermöglichen durch Überbrückung der defekten LED's den Stromfluss durch die Kette aufrechtzuerhalten und verhindern damit den Ausfall der gesamten Kette. Die Schaltelemente werden vorzugsweise durch eine Schaltersteuerungseinheit einem erfindungsgemäßen Algorithmus folgend gesteuert.Of the inventive idea of the solution in the features of the main claim and in the features of the independent subsidiary claim 6 lies in it, by additional Wiring the LED chain to implement a control technology process, with which the failure of one LED or several LEDs can be detected and compensated and so the light emission with the functional LED's continues to be guaranteed. For this purpose, according to the invention further, in particular parallel to the LED or parallel to a group of LED's lying switching elements intended. These switching elements allow by bridging the defective LED's Maintain current flow through the chain and prevent it the failure of the entire chain. The switching elements are preferably by a switch control unit an algorithm according to the invention following controlled.

Eingangsseitig ist die Schaltersteuerungsseinheit über ein Fehlersignal mit einer Fehlererkennungseinheit verbunden. Als Eingangssignale der Fehlererkennungseinheit wiederum dienen vorteilhafterweise die gemessene Stromstärke durch die LED-Kette und ein vorgegebener Strom-Sollwert. Mit diesem erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau wird das Verfahren gemäß Anspruch 6 realisiert. Die Funktionsweise dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist wie folgt:
Die von einem Messelement erfasste Stromstärke durch die LED-Kette wird der Fehlererkennungseinheit zugeführt und dort mit einem vorgegebenen Strom-Sollwert verglichen. Bei einer bestimmten Abweichung des gemessenen Stromwertes von dem Sollwert erzeugt die Fehlererkennungseinheit ein Fehlersignal, das an die Schaltersteuerungseinheit weitergegeben wird. Auf vorteilhafte Weise wird damit die Schaltersteuerungseinheit im Fehlerfall aktiviert. Die Schaltersteuerungseinheit steu ert nun die Schaltelemente derart, dass die fehlerhaften LED's überbrückt werden und auf erfindungsgemäße Weise der Stromfluss und damit die Lichtaussendung in den funktionstüchtigen LED's aufrechterhalten werden kann.On the input side, the switch control unit is connected via an error signal with an error detection unit. In turn, the measured current intensity through the LED chain and a predetermined current setpoint are advantageously used as input signals of the error detection unit. With this circuit construction according to the invention, the method according to claim 6 is realized. The operation of this method according to the invention is as follows:
The detected by a measuring element current through the LED chain is supplied to the error detection unit and compared there with a predetermined current setpoint. At a certain deviation of the measured current value from the desired value, the error detection unit generates an error signal which is sent to the switch control unit is passed on. Advantageously, the switch control unit is thus activated in the event of a fault. The switch control unit now controls the switching elements in such a way that the faulty LEDs are bridged and, in accordance with the invention, the current flow and thus the light emission in the functional LEDs can be maintained.

Weiterhin ist in der Schaltersteuerungseinheit ein Algorithmus zur Steuerung der Schaltelemente derart implementiert, dass in der fehlerhaften Kette die Schaltelemente zuerst einzeln nacheinander geschlossen werden bis der LED-Strom wieder dem Sollwert entspricht. Auf diese Weise wird der Ausfall einer einzigen fehlerhaften LED zuverlässig kompensiert. Als besonderer Vorteil werden, falls der LED-Strom bei Schließen eines Schaltelements nicht den Sollwert erreicht hat, alle möglichen Kombinationen von je zwei Schaltelementen, dann von je drei, usw. Schaltelementen geschaltet. Durch diese Vorschrift besitzt die Anordnung den Vorzug, auch den gleichzeitigen Ausfall mehrerer LED's zu beheben.Farther is an algorithm for control in the switch control unit the switching elements implemented in such a way that in the faulty chain the switching elements are first closed one after the other until the LED current again corresponds to the setpoint. In this way The failure of a single faulty LED is reliably compensated. As a special advantage, if the LED current when closing a Switching element has not reached the target value, all possible Combinations of two switching elements, then three, etc. Switching elements switched. By this provision has the arrangement the privilege to fix the simultaneous failure of multiple LED's.

Bevorzugt ist eine steuerbare Spannungsquelle über ein Stellwert(-Signal) mit einer LED-Steuerung verbunden. Dabei weist die LED-Steuerung einen Sollwerteingang und einen Messeingang für den über ein Messelement erfassten Strom durch die LED-Kette auf. Diese Anordnung ermöglicht, dass die LED-Steuerung aus dem LED-Stromwert und dem vorgegebenem Sollwert einen Stellwert zur Regelung für die Spannungsquelle derart ermittelt, dass die über der Kette anliegende Betriebsspannung dem minimal erforderlichen Wert entspricht. Diese Regelung der Spannungsquelle reduziert den Spannungsabfall über den LED's, senkt damit die Verlustleistung der Schaltung und erhöht die Lebensdauer der Bauelemente. Zudem kann bei minimaler Verlustleistung auf weitere Kühlmaßnahmen verzichtet werden, wodurch sich in vorteilhafter Weise ein geringes Bauvolumen ergibt.Prefers is a controllable voltage source via a manipulated variable (signal) connected to an LED control. This shows the LED control a setpoint input and a measuring input for the detected via a measuring element Electricity through the LED chain on. This arrangement allows that the LED control from the LED current value and the default Setpoint a control value for the control of the voltage source in such a way determines that the over the chain voltage applied to the minimum required Value corresponds. This regulation of the voltage source reduces the Voltage drop over the LEDs, lowers Thus, the power dissipation of the circuit and increases the life of the components. In addition, with minimal power loss on further cooling measures be omitted, resulting in an advantageous manner, a small volume results.

Mögliche schaltungstechnische Realisierungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass die Fehlererkennung entweder in der LED-Steuerung integriert ist oder dass die Fehler erkennungseinheit als selbständige Einheit unabhängig von der LED-Steuerung ausgeführt ist und eine eigenständige Schaltersteuerung aufweist.Possible circuitry Realizations of the method according to the invention Foresee that the fault detection either in the LED control is integrated or that the error detection unit as a separate entity independently executed by the LED control is and an independent one Switch control has.

Als weiterer Vorteil können bei erkanntem Ausfall einer LED oder einer Gruppe von LED's zusätzlich funktionsfähige LED's abgeschaltet werden, damit die Anzahl der über eine zu beleuchtende Flächeneinheit verteilten funktionsfähigen LED's möglichst konstant ist.When another advantage in the event of a failure of an LED or a group of LEDs detected functional LEDs are turned off, so that the number of over a surface unit to be illuminated distributed functional LED's possible is constant.

Der optische Eindruck einer gleichmäßigen Ausleuchtung bleibt dann auch bei Ausfall einer LED erhalten.Of the visual impression of a uniform illumination then remains even if one LED fails.

Mit Vorteil ist die räumliche Anordnung der einzelnen LED's einer Kette möglichst homogen verteilt über die zu beleuchtende Fläche vorzunehmen, um bei Ausfall einer oder mehrerer LED's die optische Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung zu gewährleisten.With Advantage is the spatial Arrangement of the individual LEDs a chain as possible distributed homogeneously over the area to be illuminated to ensure the optical uniformity in case of failure of one or more LED's to ensure the illumination.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist in der Zeichnung schematisch wiedergegeben.A expedient embodiment the circuit arrangement is shown schematically in the drawing.

Die Zeichnung zeigt eine Kette von LED's L1–L6 mit jeweils parallel geschalteten Schaltelementen S1–S6. Anstelle der einzelnen Dioden L1–L6 können auch Gruppen von Dioden, d. h. mehrere Dioden in Reihenschaltung, vorgesehen werden, die dann gemeinsam durch die zur jeweiligen Gruppe parallel angeordneten Schaltelemente S1–S6 überbrückt werden.The Drawing shows a chain of LEDs L1-L6, each connected in parallel Switching elements S1-S6. Instead of the individual diodes L1-L6, groups of diodes, d. H. several diodes in series, are provided, which then together by the parallel to the respective group Switching elements S1-S6 are bridged.

Angesteuert werden die Schaltelemente S1–S6 von einer zentralen Schaltersteuerungseinheit 2. In dieser Schaltersteuerungseinheit 2 ist ein Algorithmus implementiert, der vorgibt, welche der Schaltelemente S1–S6 in welcher zeitlichen Abfolge geschaltet werden. Aktiviert wird die Schaltersteuerungseinheit 2 durch ein Fehlersignal 3. Tritt ein solches Fehlersignal 3 auf, schaltet die Schaltersteuerungseinheit 2 die Schaltelemente S1–S6 in der Weise, dass zuerst in der Kette, in der der gemessene LED-Strom 8 vom Sollwert 10 abweicht, die Schaltelemente S1–S6 einzeln nacheinander (aber nicht zwingend in linearer Reihenfolge) geschlossen werden bis der LED-Strom 8 wieder dem Strom-Sollwert 10 entspricht. Falls der LED-Strom 8 bei Schließen eines Schaltelements S1–S6 nicht den Strom-Sollwert 10 erreicht hat, werden anschließend alle möglichen Kombinationen von je zwei Schaltelementen S1–S6, dann von je drei, usw. Schaltelementen S1–S6 geschaltet. Dadurch wird der Kurzschluss funktionsfähiger LED's verhindert.The switching elements S1-S6 are controlled by a central switch control unit 2 , In this switch control unit 2 an algorithm is implemented which specifies which of the switching elements S1-S6 are switched in which time sequence. The switch control unit is activated 2 by an error signal 3 , If such an error signal occurs 3 on, switches the switch control unit 2 the switching elements S1-S6 in such a way that first in the chain in which the measured LED current 8th from the setpoint 10 deviates, the switching elements S1-S6 one by one (but not necessarily in a linear order) are closed until the LED current 8th again the current setpoint 10 equivalent. If the LED power 8th when closing a switching element S1-S6 not the current setpoint 10 has reached, then all possible combinations of two switching elements S1-S6, then each of three, etc. switching elements S1-S6 are switched. This prevents the short circuit of functioning LEDs.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Fehlererkennungseinheit 4 in die LED-Steuerung 6 integriert, kann aber auch als separate Einheit unabhängig von der LED-Steuerung 6 mit eigener Schaltersteuerung ausgeführt sein.In the illustrated embodiment, the error detection unit is 4 in the LED control 6 integrated, but can also be used as a separate unit regardless of the LED control 6 be executed with its own switch control.

Sowohl die Fehlererkennungseinheit 4 als auch die LED-Steuerung 6 verwenden als Eingangssignale den LED-Strom 8 durch die LED-Kette und einen die Helligkeit vorgebenden Strom-Sollwert 10. Die Fehlererkennungseinheit 4 erzeugt bei Abweichung des LED-Stroms 8 vom Strom-Sollwert 10 daraus das Fehlersignal 3 für die Schaltersteuerungseinheit 2.Both the error detection unit 4 as well as the LED control 6 use the LED current as input signals 8th through the LED chain and a brightness-setpoint current value 10 , The error detection unit 4 generated in case of deviation of the LED current 8th from the current setpoint 10 from this the error signal 3 for the switch control unit 2 ,

Die LED-Steuerung 6 erzeugt einen Stellwert 12, um die Spannungsquelle 15 auf den durch die Durchlassspannung der LED's vorgegebenen erforderlichen Mindestwert zu regeln. Überhöhte Spannungspotenziale, die (bei vorgegebenem LED-Strom 8) nicht in Wirkleistung umgesetzt werden können, sondern Verlustleistung und damit Wärmeentwicklung erzeugen, werden vermieden.The LED control 6 generates a manipulated variable 12 to the voltage source 15 to regulate the predetermined minimum value given by the forward voltage of the LED's. Excessive voltage potentials that (at a given LED current 8th ) can not be converted into active power, but to generate power loss and thus heat generation, are avoided.

Zur Erfassung des LED-Stroms 8 dient ein Messelement 16.For detecting the LED current 8th serves a measuring element 16 ,

Claims

Circuit arrangement consisting of a series circuit of LEDs (LED chain), wherein the LEDs are supplied by a controlled current source, characterized in that further, in particular parallel to the LED (L1-L6) or parallel to a group of LEDs lying switching elements (S1 -S6) provided by a switch control unit ( 2 ) and wherein the switch control unit ( 2 ) via an error signal ( 3 ) with an error detection unit ( 4 ) and the error detection unit ( 4 ) as input signals a measured LED current ( 8th ) through the LED chain and a current setpoint ( 10 ).

Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that a controllable voltage source ( 15 ) via a manipulated variable ( 12 ) with an LED control ( 6 ) and the LED control ( 6 ) an input for the current setpoint ( 10 ) and a measuring input for the with a measuring element ( 16 ) detected LED current ( 8th ) through the LED chain.

Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that the error detection unit ( 4 ) in the LED control ( 6 ) is integrated.

Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that the error detection unit ( 4 ) as a separate unit independent of the LED control ( 6 ) is executed and has a stand-alone switch control.

Electrical switch arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the spatial arrangement of the individual LED's (L1-L6) one Chain as possible equally distributed over the area to be illuminated takes place in case of failure of one or more LEDs (L1-L6), the optical uniformity to ensure the illumination.

Method for detecting and compensating LED failures in LED chains, characterized by method steps a) to f): a) the LED current ( 8th ) through the LED chain is from the measuring element ( 16 ) and the error detection unit ( 4 ), b) the measured LED current ( 8th ) is stored in the error detection unit ( 4 ) with the specified current setpoint ( 12 c) in case of deviation from the current setpoint ( 12 ) generates the error detection unit ( 4 ) the error signal ( 3 ), d) when the error signal ( 3 ), the switch control unit ( 2 ), e) the switch control unit ( 2 ) drives the switching elements (S1-S6) and f) the switching elements (S1-S6) bypass the faulty) LED ('s).

A method according to claim 6, characterized in that the switching elements (S1-S6) are controlled such that first the switching elements (S1-S6) are closed one after the other until the LED current ( 8th ) again the current setpoint ( 10 ) and then if the LED current ( 8th ) when closing a switching element (S1-S6) is not the current setpoint ( 10 ), all possible combinations of two switching elements (S1-S6), then of three, etc. switching elements (S1-S6) are switched.

Method according to claim 6 or 7, characterized in that the LED control ( 6 ) from the LED power ( 8th ) and predetermined current setpoint ( 10 ) the control value ( 12 ) for controlling the voltage source ( 15 ) is determined such that the voltage applied across the chain corresponds to the minimum required value.

Method according to one of claims 6 or 7, characterized if a failure of an LED (S1-S6) or a group of LED's additional functional LED's can be turned off, thus the number of over a surface unit to be illuminated distributed functional LED's possible is constant.