DE102008008181A1

DE102008008181A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102008008181A1
Application number: DE102008008181A
Authority: DE
Inventors: Michael Mayer; Gerhard Schneider
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-13
Also published as: EP2088833A1; EP2088833B1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, umfassend wenigstens eine LED sowie eine die LED pulsweitenmoduliert ansteuernde Steuerungseinrichtung, wobei die Modulationsfrequenz kontinuierlich variiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung umfassend wenigstens eine LED sowie eine die LED pulsweitenmoduliert ansteuernde Steuerungseinrichtung.
Bei Kraftfahrzeugen kommen zunehmend Beleuchtungseinrichtungen mit einer oder mehreren LEDs zum Einsatz, sei es als Innenraumbeleuchtung, sei es in den Frontscheinwerfern oder den Heckleuchten. Um eine möglichst lange Lebensdauer sicherzustellen, ist es bekannt, die LED nicht mit einem konstanten, zeitlich gleichbleibenden Strom zu versorgen, sondern durch Pulsweitenmodulation getaktet anzusteuern. Das heißt, dass der Strom über eine Pulsweitenmodulationsschnittstelle über einen Impulsgenerator mit hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet wird. Die Modulationsfrequenz ist konstant, sie ist in jedem Fall so hoch gewählt, dass der intermittierende Schaltbetrieb vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen wird, dass es also nicht zu einem Stroboskopeffekt kommt. Übliche Frequenzen liegen bei ca. 100 Hz. Die Einstellung der Helligkeit erfolgt über das Puls-Pausen-Verhältnis (das sogenannte Tastverhältnis), das entsprechend verändert werden kann. Eine Verlängerung der relativen Pulsdauer, also der Einschaltdauer, entspricht im zeitlichen Mittel einer längeren Einschaltdauer der LED, mithin einer größeren Helligkeit, während eine Verringerung der Pulsdauer oder Pulsbreite einer geringeren Helligkeit entspricht. Der abgestrahlte Lichtstrom ist dabei annähernd proportional zum Mittelwert des Stroms, der durch das Puls-Pausen-Verhältnis bestimmt wird.
Zwar kann verglichen mit einem Konstantenstrombetrieb durch die Pulsweitenmodulation des Schaltbetriebs eine Lebensdauerverlängerung erreicht werden, gleichwohl ist die üblicherweise zur Vermeidung des Stroboskopeffekts gewählte Betriebsfrequenz noch so hoch, dass der Einsatz entspre chend qualitativ hochwertiger und damit teurer Halbleiterbausteine als LED-Komponenten erforderlich ist, die in der Lage sind, die Modulationsfrequenz darzustellen.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Betriebsverfahren für eine pulsweitenmodulierte LED-Ansteuerung anzugeben, das eine Erniedrigung der Modulationsfrequenz bei gleichzeitiger Vermeidung eines Stroboskopeffekts ermöglicht.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Modulationsfrequenz kontinuierlich variiert.
Anders als bisher üblich wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die LED im zeitlichen Verlauf kontinuierlich mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert. Das heißt, dass keine gleichbleibende Frequenz bezogen auf die eingestellte Helligkeit gegeben ist, vielmehr ändert sich die Frequenz laufend, während jedoch das Puls-Pausen-Verhältnis und damit die eingestellte Helligkeit konstant bleibt. Infolge dieser ständigen Frequenzänderung wird mit besonderem Vorteil ein Stroboskopeffekt vermieden, da kein zeitlich konstanter Wechsel zwischen Einschalt- und Ausschaltzustand gegeben ist, der vom Betrachter wahrgenommen werden könnte. Das heißt, es bildet sich kein zeitlich konstantes Leuchtmuster aus, das erfasst werden kann. Vielmehr ist erfindungsgemäß ein sich laufend änderndes Schaltverhalten realisiert, das dem Stroboskopeffekt entgegenwirkt beziehungsweise diesen vermeidet.
Infolgedessen ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Modulationsfrequenz abzusenken, die in ihrer Höhe allein zur Vermeidung des Stroboskopeffekts bei bisher bekannten Steuerverfahren gewählt wurde. Denn beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Stroboskopeffekt durch die Frequenzvariation, nicht jedoch allein durch die Frequenzhöhe vermieden. Natürlich muss die Frequenz beziehungsweise das Frequenzband, innerhalb dem die Modulationsfrequenz variiert, noch so hoch sein, dass auch die variierenden Frequenzsprünge eben nicht wahrgenommen werden können, jedoch sind bereits Frequenzen ausreichend, die > 50 Hz liegen. Infolge der frequenzmäßig über die Zeit gesehen geringeren mittleren Ansteuerfrequenz ergibt sich damit auch eine geringere Beanspruchung der LED-Halbleiterbausteine, was wiederum dazu führt, dass kostengünstigere Halbleiterbausteine, also LEDs eingesetzt werden können, die jedoch bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnliche Lebensdauerzeiten aufweisen wie bisher verwendete hochwertige, teure Halbleiter-LEDs, die mit konstanter, hoher Frequenz angesteuert werden.
Ein weiterer Vorteil ist ferner darin zu sehen, dass sich das EMV-Verhalten (EMV = elektro-magnetische Verträglichkeit) des Fahrzeugs im Hinblick auf die Frequenzerniedrigung verbessert. Denn grundsätzlich sind hohe Steuerfrequenzen im Hinblick auf etwaige Störeinstrahlungen oder Störabstrahlungen hinsichtlich des EMV-Verhaltens nachteilig. Dem wirkt die erfindungsgemäß niedrigere Modulationsfrequenz entgegen, wie über die kontinuierliche Frequenzvariation auch eine Verringerung etwaiger Resonanzwahrscheinlichkeiten erreicht wird.
Hinsichtlich der Variationsweise der Modulationsfrequenz sind unterschiedliche Möglichkeiten denkbar. Gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung kann die Modulationsfrequenz sich wiederholend in einem Frequenz-Sweep ausgehend von einer Startfrequenz vorzugsweise linear auf eine Zielfrequenz erhöht oder erniedrigt werden und bei Erreichen der Zielfrequenz auf die Startfrequenz zurückgesprungen werden. Bei dieser Erfindungsausgestaltung erhöht oder erniedrigt sich also die Modulationsfrequenz bevorzugt linear ausgehend von einer Startfrequenz auf eine Zielfrequenz. Nach Erreichen der Zielfrequenz wird die Frequenz automatisch in einem Frequenzsprung wieder auf die Startfrequenz geändert, wonach sich die Frequenzerhöhung oder -erniedrigung erneut vollzieht. Dieses Muster wird kontinuierlich durchlaufen.
Eine Alternative sieht vor, dass sich die Modulationsfrequenz sich wiederholend vorzugsweise linear zwischen einer Maximal- und einer Minimalfre quenz verändert. Hier erfolgt also kein Frequenzsprung nach Erreichen einer Zielfrequenz auf eine Startfrequenz, vielmehr erfolgt eine kontinuierliche Frequenzvariation zwischen einer Maximal- und einer Minimalfrequenz, wobei sich der Frequenzgang auch hier vorzugsweise linear ändert, die Linearität jedoch keine zwingende Voraussetzung ist.
Eine dritte Alternative sieht schließlich vor, die Modulationsfrequenz über einen Zufallsgenerator gesteuert innerhalb eines definierten Frequenzbands kontinuierlich wechselnd zu ändern. Hier werden also über den Zufallsgenerator beliebige innerhalb des Frequenzbands, das vorher definiert ist, liegende Steuerfrequenzen ausgewählt, die anschließend über die Steuerungseinrichtung angesteuert werden. Es kommt also kontinuierlich zu Frequenzsprüngen, wobei die Haltezeit einer vom Zufallsgenerator definierten Frequenz wiederum möglichst gering ist und bevorzugt unterhalb einer Sekunde liegt.
Das erfindungsgemäße Steuerverfahren lässt sich sowohl bei Beleuchtungseinrichtungen umfassend nur eine LED einsetzen, wie auch bei Beleuchtungseinrichtungen mit mehreren in einem Array zusammengefassten LEDs. Hierbei werden dann bevorzugt alle LEDs gemeinsam angesteuert, das heißt, das gesamte Array wird über das erfindungsgemäße die Frequenz variierende Verfahren betrieben.
Kommen bei einer Beleuchtungseinrichtung auch mehrere separate Arrays zum Einsatz, wie dies beispielsweise bei Frontscheinwerfern in LED-Bauweise der Fall sein kann, können auch die mehreren Arrays alle gemeinsam in der erfindungsgemäßen Weise angesteuert werden, wenn alle LEDs zu betreiben sind.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Kraftfahrzeug umfassen eine Beleuchtungseinrichtung mit wenigstens einer LED sowie eine die LED pulsweitenmoduliert ansteuernde Steuerungseinrichtung, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Beleuchtungseinrichtung mit zugeordneter Steuerungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Prinzipdiagramm zur Darstellung der Veränderung der Steuerfrequenz in einem Frequenz-Sweep,
3 ein Prinzipdiagramm zur Darstellung der Veränderung der Steuerfrequenz durch kontinuierlichen Wechsel zwischen einer Maximal- und Minimalfrequenz, und
4 ein Prinzipdiagramm zur Darstellung der Veränderung der Steuerfrequenz durch zufällig ausgewählte Frequenzsprünge.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1 in Form eines Arrays 2 bestehend aus mehreren LEDs 3, von denen im gezeigten Beispiel vier dargestellt sind. Gezeigt ist ferner eine Steuerungseinrichtung 4, über die der Betriebsstrom, der an das Array 2 beziehungsweise die LEDs 3 über das Kraftfahrzeug-Bordnetz gelegt wird, pulsweitenmoduliert gesteuert wird. Bei der Beleuchtungseinrichtung kann es sich um eine beliebige Beleuchtungseinrichtung des Kraftfahrzeugs handeln, sei es eine Signal- oder Anzeigeleuchte im Bereich des Fahrzeughecks, der Fahrzeugseite oder der Fahrzeugfront, sei es ein LED-Scheinwerfer, oder sei es eine Beleuchtungseinrichtung aus dem Fahrzeuginnenraum.
Wie beschrieben wird die Helligkeit durch Einstellung des Puls-Pausen-Verhältnisses, also des Verhältnisses zwischen Einschalt- und Ausschaltzeit der einzelnen LEDs 3, variiert. Die Frequenz, mit der der Einschalt- und Ausschalt-Vorgang gesteuert wird, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise der gezeigten erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung jedoch, anders als im Stand der Technik, nicht konstant, sondern verändert sich über die Zeit kontinuierlich, wie anhand der 2–4 gezeigt ist.
2 zeigt eine erste Ausführungsmöglichkeit eines solchen Steuerverfahrens. Längs der Abszisse ist die Zeit t, längs der Ordinate die Steuerfrequenz f aufgetragen. Dargestellt ist eine Startfrequenz f_s sowie eine Zielfrequenz f_z. Im gezeigten Beispiel sei angenommen, dass die Startfrequenz f_s niedriger ist als die Zielfrequenz f_z. Wird nun die Beleuchtungseinrichtung 1 betrieben, so wechselt die Betriebsfrequenz über die Zeit kontinuierlich zwischen der Startfrequenz f_s und der Zielfrequenz f_z, wobei die Frequenz innerhalb jedes Zyklus ausgehend von der Startfrequenz f_s im gezeigten Beispiel linear auf die Zielfrequenz f_z erhöht wird, wonach die Frequenz in einem Frequenzsprung wieder unmittelbar auf die Startfrequenz f_s reduziert wird, wonach sie sich wiederum linear auf die Zielfrequenz f_z erhöht, etc. Es bildet sich über die Zeit t das in 2 gezeigt „Sägezahn-Muster" aus. Infolge dieser kontinuierlichen Frequenzvariation wird, nachdem sich keine konstante Schaltfrequenz einstellt, vorteilhaft der Stroboskopeffekt vermieden, da dem Betrachterauge kein zeitlich konstantes Schaltmuster gegeben wird. Die sich ergebende mittlere Schaltfrequenz liegt deutlich niedriger als bei üblichen Beleuchtungseinrichtungen, die mit konstanter hoher Frequenz von üblicherweise 100 Hz betrieben werden. Im gezeigten Beispiel könnte die Startfrequenz f_s beispielsweise 60 Hz und die Zielfrequenz f_z 90 Hz betragen, wobei dies lediglich exemplarisch ist, das heißt, dass auch andere Frequenzen gewählt werden können. Denkbar wäre es auch, ausgehend von einer höheren Startfrequenz f_s die Frequenz auf die Zielfrequenz f_z zu erniedrigen und dann in einem Frequenzsprung wieder auf die Startfrequenz zu erhöhen. Auch hier würde sich ein ähnliches „Sägezahn-Muster" ergeben.
3 zeigt eine weiter Möglichkeit eines Frequenzgangs, wobei auch hier längs der Abszisse wiederum die Zeit t und längs der Ordinate die Frequenz f aufgetragen ist. Hier variiert die Frequenz kontinuierlich zwischen einer Minimalfrequenz f_min und einer Maximalfrequenz f_max. Auch hier ist exemplarisch eine lineare Frequenzerhöhung beziehungsweise Frequenzerniedrigung gezeigt. Ersichtlich ergibt sich auch hier eine mittlere Frequenz, die bedingt durch die Vermeidung des Stroboskopeffekts infolge der Frequenzvariation niedriger liegt als bisher übliche konstante Steuerfrequenzen. Beispielsweise kann auch hier die Minimalfrequenz f_min und die Maximalfrequenz f_max 60 Hz und 90 Hz betragen, denkbar wäre auch eine Minimalfrequenz von 50 Hz und eine Maximalfrequenz von 100 Hz, oder andere Frequenzkombinationen.
Schließlich zeigt 4 eine dritte Ausführungsmöglichkeit eines Frequenzgangs. Auch hier ist längs der Abszisse die Zeit t und längs der Ordinate die Frequenz f aufgetragen. Hier ist ebenfalls ein Frequenzband zwischen der Minimalfrequenz f_min und der Maximalfrequenz f_max definiert. Über einen Zufallsgenerator, der Teil der Steuerungseinrichtung 4 ist, wird nun eine zufällige Frequenz innerhalb des Frequenzbands ausgewählt, die dann von der Steuerungseinrichtung 4 eingestellt wird. Wie 4 deutlich zeigt, ergeben sich über die Zeit eine Vielzahl von Frequenzsprüngen, das heißt, der Zufallsgenerator wählt kontinuierlich neue Frequenzen innerhalb des Frequenzbandes aus, so dass sich die Frequenz laufend sprunghaft ändert und es auch hier zu keiner kontinuierlichen Frequenzansteuerung kommt. Die einzelnen Frequenzstufen werden nur sehr kurz gehalten, die Haltezeit sollte ≤ 1 Sekunde betragen, wobei auch dies lediglich ein exemplarischer Wert ist. Denkbar wären auch kürzere oder längere Haltezeiten, wobei sich die Haltezeit auch danach richten kann, wie hoch die vom Zufallsgenerator gewählte Ist-Steuerfrequenz gerade ist. Höhere Frequenzen können gegebenenfalls etwas länger gehalten werden als niedrigere, oder umgekehrt.
Die in den 2–4 gezeigten Steuerbeispiele sind lediglich exemplarischer Natur. Selbstverständlich wären auch andere Frequenzgänge denkbar, seien es nicht-lineare Frequenzgänge oder weniger steile Frequenzflanken bei vorgenommenen Frequenzsprüngen. Der Frequenzgang ist stets so zu wählen, dass eine hinreichende Frequenzveränderung zur Vermeidung des Stroboskopeffekts gegeben ist und eine Belastung der einzelnen LEDs möglichst gering ist.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung umfassend wenigstens eine LED sowie eine die LED pulsweitenmoduliert ansteuernde Steuerungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz kontinuierlich variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz sich wiederholend in einem Frequenz-Sweep ausgehend von einer Startfrequenz vorzugsweise linear auf eine Zielfrequenz erhöht oder erniedrigt und bei Erreichen der Zielfrequenz auf die Startfrequenz zurückgesprungen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz sich wiederholend vorzugsweise linear zwischen einer Maximal- und einer Minimalfrequenz verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz über einen Zufallsgenerator gesteuert innerhalb eines definierten Frequenzbands kontinuierlich wechselnd geändert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung mit mehreren in einem Array zusammengefassten LEDs alle LEDs gemeinsam angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Arrays alle Arrays gemeinsam angesteuert werden.
Kraftfahrzeug umfassend wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung (1) mit wenigstens einer LED (3) sowie eine die LED (3) pulsweitenmoduliert ansteuernde Steuerungseinrichtung (4) ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.