DE102008008217A1

DE102008008217A1 - Schaltungsanordnung zur Erkennung eines Kurzschlusses von Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102008008217A1
Application number: DE102008008217A
Authority: DE
Inventors: Georg Hebenstreit
Original assignee: Zizala Lichtsysteme GmbH
Current assignee: ZKW Group GmbH
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2028-02-09
Also published as: DE102008008217B4; AT504949B1; AT504949A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erkennung eines Kurzschlusses von einer oder mehreren Leuchtdioden (L1-L4), wobei die Leuchtdioden (L1-L4) zur Realiserung von zumindest einer Lichtfunktion für einen Scheinwerfer bzw. eine Lichteinheit eines Kraftfahrzeuges vorgesehen sind und dieet sind und über eine Konstantstromquelle (IQK) an einer Versorgungsspannungsquelle (UBQ) liegen. Jeder Leuchtdiode (L1-L4) ist ein elektronischer Schalter (SCH1-SCH4) zugeordnet, wobei zumindest ein Pol (D) jedes Schalters (SCH1-SCH4) über einen gemeinsamen Arbeitswiderstand (R2) an der Stromquelle (IQK) liegt. Eine an den Leuchtdioden (L1-L4) abfallende Spannung (Ug) ist einem Steuereingang (G) des der jeweiligen Leuchtdiode (L1-L4) zugeordneten Schalters (SCH1-SCH4) zugeführt, wobei der Schalter (SCH1-SCH4) von einem Offenzustand/Schließzustand im Normalbetrieb der zugeordneten Leuchtdiode (L1-L4) in einen Schließzustand/Offenzustand im Kurzschlussfall der Leuchtdiode (L1-L4) übergeht und die sich dadurch ergebende Änderung des Spannungsabfalls (U2) an dem Arbeitswiderstand (R2, R2') detektiertbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erkennung eines Kurzschlusses von einer oder mehreren Leuchtdioden, wobei zwei oder mehr Leuchtdioden zur Realisierung von zumindest einer Lichtfunktion für einen Scheinwerfer bzw. eine Lichteinheit eines Kraftfahrzeuges vorgesehen sind, und die Leuchtdioden zueinander in Serie geschaltet sind und über eine Konstantstromquelle an einer Versorgungsspannungsquelle liegen.
Im Kraftfahrzeugbereich nimmt die Bedeutung von Leuchtdioden zur Erzeugung von Lichtfunktionen in Lichteinheiten bzw. Fahrzeugscheinwerfern ständig zu. Beispielsweise können mit Leuchtdioden Lichtfunktionen wie Standlicht, Stadtlicht, Abblendlicht, Fernlicht, Nebellicht, Kurvenlicht etc. realisiert werden.
Zur Erzeugung einer solchen Lichtfunktion werden üblicherweise wie eingangs erwähnt eine Anzahl von Leuchtdioden zueinander in Serie geschaltet, wobei die Leuchtdioden über eine Konstantstromquelle an einer Versorgungsspannung liegen.
Der Ausfall von Lichtmitteln kommt in Fahrzeugscheinwerfern bzw. Lichteinheiten für Kraftfahrzeuge üblicherweise durch Unterbrechung zu Stande, etwa bei Lampen mit einem Glühfaden. Auch bei der Verwendung von Leuchtdioden als Lichtquellen liegt in der Regel bei einem Ausfall von einer oder mehreren Leuchtdioden eine Unterbrechung vor. Mit geringerer Wahrscheinlichkeit kann aber auch ein Kurzschluss von einer oder mehreren Leuchtdioden vorliegen.
Von Seiten der Automobilindustrie liegt die Forderung vor, auch den Kurzschluss einer einzelnen oder von mehreren Leichtdioden detektieren zu können.
Durch die große Toleranz der Vorwärtsspannung der Leuchtdioden ist es bei Serienschaltung mehrerer Leuchtdioden allerdings nur sehr schwer und mit großem Aufwand, d. h. nur mittels aufwändiger Elektronik, möglich, einen Kurzschluss von einer oder mehreren Leuchtdioden mittels Gesamtspannungsüberwachung des Leuchtdioden-Stranges zu detektieren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zu finden, mittels welcher eine einfache und effiziente Erkennung eines Kurzschlusses von einer oder mehreren Leuchtdioden in einer Serienschaltung von Leuchtdioden, weiche zur Realisierung von zumindest einer Lichtfunktion in einer Lichteinheit oder einem Scheinwerfer eines Kraftfahrzeuges vorgesehen sind, möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Schaltungsanordnung dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß jeder Leuchtdiode ein elektronischer Schalter zugeordnet ist, wobei zumindest ein Pol jedes Schalters über einen gemeinsamen Arbeitswiderstand an der Stromquelle liegt, und wobei weiterhin eine an den Leuchtdioden abfallende Spannung einem Steuereingang des der jeweiligen Leuchtdiode zugeordneten Schalters zugeführt ist, und wobei der Schalter von einem Offenzustand/Schließzustand im Normalbetrieb der zugeordneten Leuchtdiode in einen Schließzustand/Offenzustand im Kurzschlussfall der Leuchtdiode übergeht, und die sich dadurch ergebende Änderung des Spannungsabfalls an dem Arbeitswiderstand detektierbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kommt es bei einem Kurzschluss von einer oder auch mehreren Leuchtdioden zu einer signifikanten Änderung des Spannungsabfalls an einem Arbeitswiderstand. Diese Änderung kann einfach detektiert und dadurch ein Kurzschluss erkannt werden.
Bei einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass ein Pol jedes Schalters am Beginn der Diodenstrecke der ihm zugeordneten Leuchtdiode liegt und die Schalter im Normalbetrieb der Leuchtdiode offen, d. h. nicht Strom leitend sind und im Kurzschlussfall einer Leuchtdiode der ihr zugeordnete Schalter in einen geschlossenen, d. h. Strom leitenden Zustand übergeht, sodass Strom über den Schalter und den Arbeitswiderstand fließen kann.
Dadurch kommt es zu einer Erhöhung der an dem Arbeitswiderstand abfallenden Spannung, welche ursprünglich Null oder in der Praxis nahezu Null ist. Der Anstieg der Spannung bzw. die Spannungsdifferenz kann mit geeigneten Mitteln detektiert werden und so auf den Kurzschluss von einer oder mehreren Leuchtdioden zurückgeschlossen werden.
Bei dieser Variante sind die Schalter vorteilhafterweise als Feldeffekttransistoren ausgebildet.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Schalter zueinander in Serie geschaltet und ein Schalter geht von einem Schließzustand im Normalbetrieb der zugeordneten Diode, in welchem Strom über den Schalter fließen kann, bei deren Kurzschluss in den offenen Zustand über.
Die Schalter sind zweckmäßigerweise als NPN-Transistoren ausgebildet, und die an einer Leuchtdiode abfallende Spannung ist dem Steuereingang des zugeordneten Schalters über einen PNP-Transistor zugeführt. Mit den PNP-Transistoren können die Schalter von den Leuchtdioden entkoppelt werden, wodurch die Serienschaltung der Schalter möglich wird.
Bei beiden Schaltungsanordnungen wird lediglich eine zusätzliche Leitung benötigt, um das Kriterium für das Vorliegen eines Kurzschlusses an einer oder mehreren Leuchtdioden, nämlich eine Änderung der an dem Arbeitswiderstand abfallenden Spannung, detektieren zu können.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand die Erfindung nicht einschränkender Beispielausgestaltungen näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
1 eine erste Variante einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung und in
2 eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
1 zeigt eine erste Variante einer Schaltungsanordnung zur Erkennung eines Kurzschlusses von einer oder mehreren Leuchtdioden L1–L4. Bei der gezeigten Schaltung sind beispielhaft vier Leuchtdioden L1–L4 zur Realisierung von zumindest einer Lichtfunktion für einen Scheinwerfer bzw. eine Lichteinheit eines Kraftfahrzeuges vorgesehen. Grundsätzlich können aber auch mehr oder weniger Leuchtdioden vorgesehen sein, und die Erfindung funktioniert auch bei lediglich einer Leuchtdiode.
Die Leuchtdioden L1–L4 sind zueinander in Serie geschaltet und liegen über eine Konstantstromquelle IQK an einer Versorgungsspannungsquelle UBQ.
Jeder Leuchtdiode L1–L4 ist ein elektronischer Schalter SCH1–SCH4 zugeordnet. Ein Pol D jedes Schalters SCH1–SCH4 liegt über einen gemeinsamen Arbeitswiderstand R2 an der Stromquelle IQK. In Serie zu den Leuchtdioden L1–L4 ist ein Vorwiderstand R1 geschaltet. Dieser wird benötigt, um einen Spannungsabfall am Arbeitswiderstand R2 gemeinsam mit den Schaltern zu erzeugen. Die jeweils an einer Leuchtdiode L1–L4 abfallende Spannung Ug ist einem Steuereingang G des der jeweiligen Leuchtdiode L1–L4 zugeordneten Schalters SCH1–SCH4 zugeführt.
Ein Pol S jedes Schalters SCH1–SCH4 liegt am Beginn der Diodenstrecke der ihm zugeordneten Leuchtdiode L1–L4 und die Schalter SCH1–SCH4 sind im Normalbetrieb der Leuchtdiode L1–L4 offen, d. h. nicht Strom leitend. Im Kurzschlussfall einer Leuchtdiode L1–L4 geht der ihr zugeordnete Schalter SCH1–SCH4 in einen geschlossenen, d. h. Strom leitenden Zustand übergeht, sodass Strom über den Schalter SCH1–SCH4 und den Arbeitswiderstand R2 fließen kann.
Dadurch kommt es zu einer signifikanten Änderung (Erhöhung) der an dem Arbeitswiderstand R2 abfallenden Spannung U2, welche ursprünglich Null oder in der Praxis nahezu Null ist. Der Anstieg der Spannung U2 kann mit geeigneten Mitteln, wie anschließend noch näher erläutert, detektiert werden und so auf den Kurzschluss von einer oder mehreren Leuchtdioden zurückgeschlossen werden.
Für die Realisierung einer solchen Schaltung ist es zweckmäßig, wenn die Schalter SCH1–SCH4 als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind, da mit diesen auf einfache Weise die geforderten Eigenschaften der Schalter realisierbar sind.
Fließt durch die Leuchtdioden Strom, fällt an ihnen jeweils eine Spannung Ug ab. Diese Spannung Ug liegt jeweils zwischen dem Gateanschluss G und dem Sourceanschluss S der Feldeffekttransistoren, welche als selbst leitender Typ ausgeführt sind. Ist eine Leuchtdiode im Normalbetrieb, also ohne Kurzschluss, dann sorgt diese Spannung Ug dafür, dass der Feldeffekttransistor hochohmig wird und somit sperrt.
Es stellt sich eine Spannung U2 am Arbeitswiderstand R2 ein, gebildet durch den Spannungsteiler R2 selbst und dem Source-Drain-Widerstand des Feldeffekttransistors, welche im Idealfall Null ist (wie oben bereits erwähnt), aber in Realität durch die charakteristischen Eigenschaften des Feldeffekttransistors bestimmt ist und praktisch nie ganz Null wird.
Bei einer konkreten Ausführung wie gezeigt wird diese Spannung U2 mit einem integrierten Schaltkreis IC1A differenziell gemessen, ΔU2 = U2 – U1, da in dem gezeigten Beispiel das Potenzial U2 am Arbeitswiderstand R2 schwebend ist und nicht auf Masse bezogen werden kann.
Mit einem integrierten Schaltkreis IC1B wird ein Komparator realisiert, der an seinem negativen Eingang eine Referenzspannung Uref anliegen hat, und vergleicht diese Spannung Uref mit seinem positiven Eingang, an welchem die Spannungsdifferenz ΔU2 anliegt.
Die Referenzspannung wird durch R8 und R9 einstellbar gemacht, indem die Ansprechschwelle über die Widerstände R8, R9 eingestellt werden kann.
Tritt nun bei einer der Leuchtdioden ein Kurzschluss auf, wird das Potenzial zwischen Gate- und Source-Anschluss des zugehörigen Feldeffekttransistors SCH1–SCH4 zu Null und der zugeordnete Feldeffekttransistor wird leitend, niederohmig.
Dadurch ergibt sich am Arbeitswiderstand R2 eine höhere Spannung. Diese Spannung wird, wie bereits erklärt, mit dem integrierten Schaltkreis IC1A differenziell gemessen und so gegen Masse bezogen. Mit dem integrierten Schaltkreis IC1B wird diese nun höhere Spannung am positiven Eingang mit seiner Referenzspannung am negativen Eingang verglichen und der integrierte Schaltkreis IC1B spricht an. Dadurch schaltet sein Ausgang auf ein positives Pozential, das am Diagnoseausgang DIA gemessen wird, sodass ein Kurzschluss von einer oder mehreren Leuchtdioden erkannt wird.
Dieses erläuterte Prinzip der Kurzschlusserkennung ist unabhängig von der Anzahl der Leuchtdioden.
Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass für den Fall, dass die Treiberelektronikplatine EPCB und die LED-Platine LPCB wie dargestellt bauraumtechnisch getrennt sind, der Verdrahtungsaufwand mit lediglich 3 zusätzlichen Leitungen sehr gering ist.
Zusätzlich ist der Bauteileaufwand auf der LED-Platine LPCB zur Realisierung der Kurzschlusserkennung gering.
Die Widerstände R3, R4, R5, R7 sind eine notwendige Beschaltung des integrierten Schaltkreises IC1A zur Verwendung als Differenzverstärker.
2 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Schaltung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Schalter SCH1'–SCH4' zueinander in Serie geschaltet und ein Schalter SCH1'–SCH4' geht von einem Schließzustand im Normalbetrieb der zugeordneten Diode L1–L4, in welchem Strom über die Schalter SCH1'–SCH4' fließen kann, bei deren Kurzschluss in den offenen Zustand über.
Die Schalter SCH1'–SCH4' sind als NPN-Transistoren ausgebildet, und die an einer Leuchtdiode L1'–L4' abfallende Spannung Ug ist dem Steuereingang B des zugeordneten Schalters SCH1'–SCH4' über einen PNP-Transistor Tpn1, Tpn2, Tpn3, Tpn4 zugeführt. Mit den PNP-Transistoren können die Schalter von den Leuchtdioden entkoppelt werden, wodurch die Serienschaltung der Schalter SCH1'–SCH4' möglich wird.
Dabei sind die Schalter SCH1'–SCH4' über die Pole C, E mit einem Arbeitswiderstand R2' in Serie geschaltet.
Sind die Leuchtdioden L1–L4 nicht kurzgeschlossen, dann liegt an ihnen jeweils die Vorwärtsspannung Ug an. Diese Spannung steuert die PNP-Transistoren SCHI'–SCH4' durch, welche ein entsprechendes Signal weiter an den jeweils zugeordneten NPN-Transistor SCH1'–SCH4' weitergeben. Die NPN-Transistoren steuern ebenso durch, d. h. über die Serienschaltung der NPN-Transistoren kann Strom fließen und das Kollektorpotenzial der NPN-Transistoren wird auf Masse bzw. nahezu auf Masse über den sehr geringen Widerstand R1 gezogen. Grundsätzlich kann natürlich auch ein anderes Potenzial verwendet werden. Das Auswertesignal (Spannungsabfall U2') am Arbeitswiderstand R2' folgt dem Potenzial der NPN-Transistoren und geht ebenfalls auf nahezu Masse oder Masse.
Hat nun eine oder mehrere der Leuchtdioden einen Kurzschluss, liegt an der kurzgeschlossenen Leuchtdiode eine Spannung Ug mit 0V an, damit sperrt der zugeordnete PNP-Transistor und ebenso der zugeordnete NPN-Transistor. Das Kollektorpotenzial am NPN-Transistor wird High und somit auch das Auswertesignal am Arbeitswiderstand R2'. Die Änderung des Spannungsabfalls am Arbeitswiderstand R2' kann der dann ebenso zur Detektierung eines Kurzschlusses weiterverarbeitet werden wie bei der oben beschriebenen ersten Variante.
Die Auswertung des Spannungsabfalls am Arbeitswiderstand erfolgt bei der Variante nach 2 vom Prinzip her jener aus 1. Allerdings ist hier die Spannung am Arbeitswiderstand R2' nicht schwebend, sodass das Spannungssignal direkt auf den positiven Eingang des integrierten Schaltkreises IC1B gelegt werden kann und der Differenzverstärker IC1A weggelassen werden kann, wodurch die Auswerteschaltung vereinfacht werden kann.

Claims

Schaltungsanordnung zur Erkennung eines Kurzschlusses von einer oder mehreren Leuchtdioden (L1–L4), wobei zwei oder mehr Leuchtdioden (L1–L4) zur Realisierung von zumindest einer Lichtfunktion für einen Scheinwerfer bzw. eine Lichteinheit eines Kraftfahrzeuges vorgesehen sind, und die Leuchtdioden (L1–L4) zueinander in Serie geschaltet sind und über eine Konstantstromquelle (IQK) an einer Versorgungsspannungsquelle (UBQ) liegen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leuchtdiode (L1–L4) ein elektronischer Schalter (SCH1–SCH4, SCH1'–SCH4') zugeordnet ist, wobei zumindest ein Pol (D, C) jedes Schalters (SCH1–SCH4, SCH1'–SCH4') über einen gemeinsamen Arbeitswiderstand (R2, R2') an der Stromquelle (IQK) liegt, und wobei weiterhin eine an den Leuchtdioden (L1–L4) abfallende Spannung (Ug) einem Steuereingang (G, B) des der jeweiligen Leuchtdiode (L1–L4) zugeordneten Schalters (SCH1–SCH4, SCH1'–SCH4') zugeführt ist, und wobei der Schalter (SCH1–SCH4, SCH1'–SCH4') von einem Offenzustand/Schließzustand im Normalbetrieb der zugeordneten Leuchtdiode (L1–L4) in einen Schließzustand/Offenzustand im Kurzschlussfall der Leuchtdiode (L1–L4) übergeht und die sich dadurch ergebende Änderung des Spannungsabfalls (U2, U2') an dem Arbeitswiderstand (R2, R2') detektierbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pol (S) jedes Schalters (SCH1–SCH4) am Beginn der Diodenstrecke der ihm zugeordneten Leuchtdiode (L1–L4) liegt und die Schalter (SCH1–SCH4) im Normalbetrieb der Leuchtdiode (L1–L4) offen, d. h. nicht Strom leitend sind und im Kurzschlussfall einer Leuchtdiode (L1–L4) der ihr zugeordnete Schalter (SCH1–SCH4) in einen geschlossenen, d. h. Strom leitenden Zustand übergeht, sodass Strom über den Schalter (SCH1–SCH4) und den Arbeitswiderstand (R2) fließen kann.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (SCH1'–SCH4') zueinander in Serie geschaltet sind und ein Schalter (SCH1'–SCH4') von einem Schließzustand im Normalbetrieb der zugeordneten Diode (L1–L4), in welchem Strom über den Schalter (SCH1'–SCH4') fließen kann, bei deren Kurzschluss in den offenen Zustand übergeht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (SCH1–SCH4) als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (SCH1'–SCH4') als NPN-Transistoren ausgebildet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Leuchtdiode (L1'–L4') abfallende Spannung (Ug) dem Steuereingang (B) des zugeordneten Schalters (SCH1'–SCH4') über einen PNP-Transistor (Tpn1, Tpn2, Tpn3, Tpn4) zugeführt ist.