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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Temperaturmessung
bei Diodenanordnungen.
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Zur
Messung einer Temperatur einer Diodenanordnung, die beispielsweise
eine oder mehrere in Reihe geschaltete Dioden aufweisen kann, können Temperaturfühler verwendet
werden, welche jedoch in die Nähe
der Diodenanordnung gebracht werden müssen. Umfasst die Diodenanordnung
beispielsweise LEDs (LED: Light Emitting Device), so führen derartige
Temperaturfühler
ferner zu ungewünschten Abschattungen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein effizientes Konzept zur Messung
einer Temperatur einer Diodenanordnung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungsformen
sind in den unabhängigen
Patentansprüchen
beschrieben.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass zur Messung einer Temperatur
einer Diodenanordnung ein Widerstand mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert
eingesetzt werden kann, welcher beispielsweise parallel zu der Diodenanordnung angeordnet
wird. Zur fehlerreduzierten Messung des temperaturabhängigen Widerstandes
kann an diesen bevorzugt eine Spannung angelegt werden, welche unterhalb
einer Arbeitsspannung der Diodenanordnung liegt. Die Arbeitsspannung
der Diodenanordnung ist diejenige Spannung, bei welcher durch die Diodenanordnung,
die beispielsweise in Reihe geschaltete Dioden aufweist der Arbeitstrom
fließt
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur
einer Diodenanordnung mit einem Anschlussklemmenpaar, mit dem die Diodenanordnung
elektrisch verbindbar ist, einem Signalgenerator zum Erzeugen einer
Klemmenspannung, welche geringer ist als eine Arbeitsspannung der
Diodenschaltung über
dem Anschlussklemmenpaar, und einer Messeinrichtung, welche parallel
mit dem Anschlussklemmenpaar elektrisch verbunden ist und einen
Messwiderstand mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert, der
auf die Temperatur hinweist, aufweist.
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Der
Signalgenerator ist beispielsweise ausgebildet, die Klammenspannung,
welche geringer als die Arbeitsspannung ist, an das Anschlussklemmenpaar
anzulegen, um zur Erfassung der Temperatur den temperaturabhängigen Widerstandswert
zu erfassen.
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Der
Signalgenerator ist beispielsweise ausgebildet, einen Strom in die
Messeinrichtung einzuprägen,
um durch einen Spannungsabfall über
der Messeinrichtung die Klemmenspannung, welche geringer ist als
die Arbeitsspannung, an dem Anschlussklemmenpaar zu erzeugen, um
zur Erfassung der Temperatur den temperaturabhängigen Widerstandswert zu erfassen.
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Der
Signalgenerator ist beispielsweise ferner ausgebildet, innerhalb
eines ersten Intervalls eine Klemmenspannung zu erzeugen, welche
geringer ist als die Arbeitsspannung der Diodenanordnung, und innerhalb
eines zweiten Intervalls eine Klemmenspannung zu erzeugen, welche
nicht geringer ist als die Arbeitsspannung der Diodenanordnung,
wobei die Messeinrichtung ausgebildet ist, den temperaturabhängigen Widerstandswert
innerhalb des ersten Intervalls zu erfassen.
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Die
Messeinrichtung weist beispielsweise einen Kondensator auf, welcher
in Reihe mit oder parallel zu dem temperaturabgängigen Messwiderstand geschaltet
und welcher zur Erfassung einer Arbeitsstrom-Sollwertvorgabe, insbesondere
zur Codierung, eines Stroms durch die Diodenanordnung vorgesehen
ist.
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Die
Messeinrichtung ist beispielsweise von dem Klemmenpaar abschaltbar.
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Die
Messeinrichtung umfasst beispielsweise einen weiteren Messwiderstand
zur Erfassung der Arbeitsstrom-Sollwertvorgabe, insbesondere zur
Codierung, eines Stroms durch die Diodenanordnung.
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Die
Vorrichtung umfasst beispielsweise ferner eine Spannungsüberwachungseinrichtung
zum Überwachen
der Spannung über
der Messeinrichtung, wobei die Spannungsüberwachungseinrichtung ausgebildet
ist, die Spannung über
der Messeinrichtung zu begrenzen oder die Messeinrichtung elektrisch
von zumindest einer Klemme des Klemmenpaars zu trennen, falls die
Spannung über
der Messeinrichtung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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Die
Messeinrichtung ist beispielsweise ausgebildet, einen durch den
Messwiderstand fließenden
Strom oder eine Spannung über
dem Messwiderstand zu erfassen, und auf der Basis des erfassten
Stroms oder der erfassten Spannung die Temperatur zu erfassen.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Messverfahren zur Erfassung einer
Temperatur einer Diodenanordnung mit Schalten der Diodenanordnung
parallel zu einer Messeinrichtung, welche einen Messwiderstand mit
einem temperaturabhängigen
Widerstandswert aufweist, Erzeugen einer Klemmenspannung, welche
geringer ist als eine Arbeitsspannung der Diodenanordnung, über der
Messeinrichtung und Erfassen der Temperatur auf der Basis des temperaturabhängigen Widerstandswertes.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer
Diodenanordnung;
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2 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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3 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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4 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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5 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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6 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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7 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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8 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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9 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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10 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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11 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
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12 eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung;
und
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13 eine
Messeinrichtung einer Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur
einer Diodenanordnung.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung,
die beispielsweise eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Dioden
aufweist. Die Vorrichtung umfasst ein Anschlussklemmenpaar mit den
Anschlüssen 101 und 103,
mit dem die Diodenanordnung elektrisch verbindbar ist, einen Signalgenerator 105, welcher
eine Klemmenspannung über
dem Anschlussklemmenpaar erzeugt und welcher parallel mit dem Anschlussklemmenpaar
verbunden ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Messeinrichtung 107,
welche parallel mit dem Klemmenpaar verbunden ist und welche einen
Messwiderstand 109 aufweist, der einen temperaturabhängigen Widerstandswert
hat.
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2 zeigt
ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen einer Temperatur einer
Diodenanordnung, welche beispielsweise in Reihe geschaltete Dioden
D1 bis Dn aufweist. Die Messvorrichtung ist parallel zu den Anschlussklemmen 103 und 101 geschaltet
und besteht aus einem Widerstand 201, dessen Widerstandswert
temperaturabhängig
ist. Aus dem temperaturabhängigen
Widerstandswert kann die Modultemperatur, d. h. die Temperatur der
Diodenanordnung, bestimmt werden. Der Ansteuerstrom kann der aktuellen
Modultemperatur entsprechend einer im Ansteuermodul festgelegten
Kennlinie angepasst werden, um die Diodenanordnung, welche beispielsweise
LEDs aufweist, vor Überhitzung
zu schützen.
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Falls
neben der Temperaturerfassung auch ein Strom durch die Diodenanordnung,
d. h. ein LED-Strom, codiert und eingestellt werden muss, so kann
dies durch die Hinzufügung
eines weiteren Widerstandes R_Cod in der Schaltung erfolgen. Dabei werden
die Bauteile so dimensioniert, dass eine gewünschte Temperaturabhängigkeit
entsteht. Mittels R_Bas kann der Widerstandsverlauf an die Vorgaben angepasst
werden. In den 3 und 4 sind zwei mögliche Ausführungsbeispiele
hierfür
dargestellt.
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3 zeigt
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung
mit einer Messeinrichtung, die einen Widerstand 301, welcher einen
temperaturabhängigen
Widerstandswert aufweist, und einen Widerstand R1(R_Cod), welcher zum
Widerstand 301 parallel geschaltet ist, aufweist.
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4 zeigt
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung,
bei der die Messeinrichtung einen Widerstand 401 mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert
und einen hierzu parallel geschalteten Widerstand 403 (R_Bas) aufweist.
Weiterhin ist in Reihe zu den vorstehend genannten Widerständen ein
Widerstand R_Cod vorgesehen, über
welchen der Strom durch die Diodenanordnung codiert wird.
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Durch
diese Kombination der Widerstände kann
der temperaturabhängige
Widerstadsverlauf und damit auch indirekt der Arbeitsstrom der Gesamtanordnung
in weiten Grenzen eingestellt werden.
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5 zeigt
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung,
bei der die Messeinrichtung eine erste Serienschaltung mit einem
temperaturabhängigen
Widerstand 501 sowie einer Diode 503 und eine
zweite Serienschaltung mit einem Widerstand R_Cod und einer Diode 505 aufweist.
Beide Serienschaltungen sind parallel angeordnet, wobei die Dioden 503 und 505 antiseriell
geschaltet sind. Hierdurch ist der Codierwiderstand R_Cod, welcher
zur Stromcodierung vorgesehen ist, von dem Temperatursensor mit
dem temperaturabhängigen
Widerstand 501 mittels der Dioden 503 und 505 entkoppelt.
Durch das Anlegen von unterschiedlich gepolten Signalen ist eine
unabhängige
Messung des Codierwiderstandes und des Temperaturwiderstandes möglich. Solange
das Ansteuersignal zu Spannungswerten hin unterhalb der Diodenspannung
der in der Schaltungsanordnung in Serie geschalteten LEDs führt, verfälscht der
Einfluss der LEDs das Messsignal nicht signifikant. Die Widerstandswerte
der Widerstände
R_Cod und 501 (R_Temp) können somit unabhängig voneinander
ermittelt werden. Die Dioden D503 und D505 können alternativ gemeinsam anders
gepolt eingesetzt werden.
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Im
Sinne der Erfindung beinhaltet die Codierung die Codierung des Arbeitsstromes
des LED Moduls bei der Fertigung mit einem Widerstand R_Cod oder
einem Kondensator z. B. 1 kOhm (oder 4.7 nF) = 100 mA, 2 kOhm (oder
10 nF) = 200 mA, eine Ermittlung des Codierelement-Wertes durch
die Messeinrichtung und eine Einstellung des Arbeitsstromes durch
die Messeinrichtung.
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6 zeigt
entsprechend eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer
Diodenanordnung, wobei die Messvorrichtung in Serie geschaltete Parallelschaltungen
umfassend einen temperaturabhängigen
Widerstand 601 und eine Diode 603 sowie einen
Codierungswiderstand R_Cod und eine Diode 605. Die Dioden
D603 und D605 können
alternativ gemeinsam anders gepolt eingesetzt werden.
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Zur
Bestimmung eines Arbeitsstroms durch die Diodenanordnung kann ferner
ein Kondensator vorgesehen sein. 7 zeigt
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung mit
einer Messvorrichtung, welche eine Parallelschaltung umfassend einen
temperaturabhängigen
Widerstand 701 und einen Kondensator 703 aufweist.
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8 zeigt
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperaturanordnung einer Diodenschaltung, wobei
eine Messvorrichtung vorgesehen ist, welche eine Serienschaltung
umfassend einen temperaturabhängigen
Widerstand 801 und einen Kondensator 803 aufweist.
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In
den in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen
wird die Temperatur durch die Widerstände 701 und 801 (R_Temp)
bestimmt. Der Arbeitsstrom wird mittels der Kondensatoren C703 (7)
und C803 (8) bestimmt. Durch das Anlegen
einer geeigneten Wechselspannung können beide Komponenten unabhängig voneinander
bestimmt werden.
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9 zeigt
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung,
wobei eine Messeinrichtung vorgesehen ist, welche eine Reihenschaltung
umfassend einen Kondensator 901 und eine Parallelschaltung
aufweist. Die Parallelschaltung umfasst zwei parallel geschaltete
Serienschaltungen mit einem temperaturabhängigen Widerstand 903 und
einer Diode 905 sowie einem Widerstand 907 und
einer weiteren Diode 909. Mithilfe der in 9 dargestellten
Messeinrichtung können die
zu ermittelnden Werte mittels einer Ladung bzw. einer Entladung
des Kondensators 901 bestimmt werden. Die Ladezeitkonstante
bzw. die Entladezeitkonstante bestimmt die Stromcodierung. Analog
hierzu bestimmt die Entladezeitkonstante bzw. die Ladezeitkonstante
die Temperatur.
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Besteht
das LED-Modul, d. h. die Diodenanordnung, aus mehreren in Reihe
geschalteten LEDs, so ist die resultierende Spannung, mit der eine
Codierschaltung beaufschlagt wird, relativ hoch. Das kann dazu führen, dass
die Messelemente R_Cod und R_Temp eine hohe Spannungs- oder auch
Verlustleistungsfestigkeit aufweisen müssen. Des Weiteren kann die
hohe Verlustleistung zum Temperaturanstieg in der Codierschaltung
und damit auch zu einer Falschmessung führen. Abhilfe kann beispielsweise
durch das Abschalten der Messeinrichtung, d. h. des Codierblocks
bzw. des Messblocks während einer
Vollaussteuerung der LEDs erreicht werden.
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Zur
Messung der Temperatur der Diodenanordnung sind grundsätzlich zwei
Messverfahren denkbar. Zum einen kann die Messung mittels einer eingeprägten Spannung
U_M erfolgen, die so weit unterhalb der LED-Arbeitsspannung liegt,
dass der Einfluss der LEDs auf die Messung vernachlässigbar ist.
Dabei wird der resultierende Strom gemessen, auf dessen Basis die
Widerstandswerte der Elemente R_Cod und R_Temp ermittelt werden.
Darüber
hinaus kann die Messung mittels eines eingeprägten Stroms I_M erfolgen. Dieser
Strom ist so an die Stromaufnahme des Codierelementes angepasst, dass
sich am Codierelement, d. h. an der Messeinrichtung, eine Spannung
einstellt, welche unterhalb der Arbeitsspannung der LEDs liegt.
Der Einfluss der LEDs auf die Messung ist dadurch vernachlässigbar klein.
Aus der resultierenden Spannung können die Werte der Elemente
R_Cod und R_Temp ermittelt werden.
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10 zeigt
eine Vorrichtung zum Erfassen einer Temperatur einer Diodenanordnung
mit einer Messeinrichtung 1001 (TC) und einer Überwachungseinrichtung 1004 zum Überwachen
der Spannung über
der Messeinrichtung 1001. Die Überwachungseinrichtung 1004 wirkt
auf einen Schalter 1005 (S), welcher die Messeinrichtung 1001 mit
dem Anschluss 101 des Klemmenpaares verbindet.
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Ferner
ist eine Stromquelle 1007 vorgesehen, welche einen Strom
I_LED in den Klemmenanschluss 103 einprägt. Zwischen dem Klemmenanschluss 103 und
Masse ist ferner eine Spannungsquelle 1009 zum Einprägen einer
Spannung U_M sowie ein in Reihe hierzu geschalteter Schalter 1010 (S_U)
vorgesehen. Zwischen dem Anschluss 101 des Klemmenpaares
und Masse ist ferner ein Strommesser 1013 zum Erfassen
des Stroms I_M vorgesehen.
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Die
Vorrichtung umfasst ferner eine Steuereinheit 1015, welche
den Strom I_LED einstellt und auf den Schalter 1010 einwirkt.
Die Steuereinheit 1015 empfängt ferner von dem Strommesser 1013 den
Wert des Stroms I M.
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Der
zeitliche Messablauf wird mittels einer Ablaufsteuerung koordiniert,
die beispielsweise mittels eines Mikrocontrollers realisiert ist.
Die Messung des Stroms I_M kann beispielsweise im Kathodenzweig
oder im Anodenzweig der Diodenanordnung erfolgen. Zunächst wird
die Stromquelle 1007 abgeschaltet und es wird eine geringe,
konstante Messspannung U_M mittels des Schalters 1010 eingestellt.
Daraufhin wird der Modulstrom I_M gemessen. Aus einem in der Steuereinheit 1015 abgelegten Funktionszusammenhang
I_LED = f(I_M) wird der LED-Ansteuerstrom I_LED bestimmt. Die vorgenannten
Schritte sind so kurz, dass die Ansteuerpause der LEDs nicht wahrnehmbar
ist.
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Die
Messspannung wird daraufhin mittels des Schalters 1010 abgeschaltet
und der berechnete LED-Strom LIED wird eingestellt und eingeschaltet. Der
Strom führt
zur Anhebung der LED-Spannung nach der LED-Kennlinie. Diese Spannung
wird durch den Block 1003 (Ü) überwacht. Nach dem Erreichen einer
vorgegebenen Schwellenspannung U_S wird die Messeinrichtung 1001 (Codiereinrichtung)
mittels des Schalters 1005 abgeschaltet, um die Spannungs-
und Leistungsbelastung der Messeinrichtung 1001 zu minimieren.
Danach erfolgt eine Ansteuerperiode der LEDs, deren Länge an die
thermodynamischen Eigenschaften der LED-Anordnung angepasst ist.
Nach Ablauf dieser Zeit wird erneut der Modulstrom I_M gemessen,
um eine kontinuierliche Temperaturüberwachung zu gewährleisten.
Die Ansteuerung der LEDs kann zum beliebigen Zeitpunkt beendet werden.
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11 zeigt
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung,
bei der im Unterschied zu dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Anschluss 101 des Klemmenpaares mit Masse verbunden
ist. Im weiteren Unterschied ist eine Stromquelle 1101 vorgesehen,
welche zwischen Masse und dem Anschluss 103 angeordnet ist.
Zwischen dem Anschluss 103 und Masse ist ferner ein Spannungsteiler
mit zwei Widerständen 1103 und 1105 angeordnet.
Eine Steuereinheit 1107 empfängt von dem Spannungsteiler
eine Spannung U_M und wirkt auf die Stromquellen 1007 und 1101.
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Zur
Messung der Temperatur der Diodenanordnung wird zunächst die
Stromquelle 1007 abgeschaltet. Daraufhin wird ein kleiner,
konstanter Messstrom I_M eingestellt. Dieser Messstrom kann auch durch
die Stromquelle 1007 erzeugt werden. Daraufhin wird die
Modulspannung U_M gemessen. Aus einem in der Steuereinheit 1107 abgelegten
Funktionszusammenhang I_LED = f(U_M) wird der LED-Ansteuerstrom
I_LED bestimmt. Die vorgenannten Schritte sind so kurz, dass die
Ansteuerpause der LEDs nicht wahrnehmbar ist. Der Messstrom I_M wird
abgeschaltet, woraufhin der berechnete LED-Strom LIED eingestellt
und eingeschaltet wird. Der LED-Strom führt zu einer Anhebung der LED-Spannung
nach der LED-Kennlinie. Diese Spannung wird durch den Überwachungsblock 1004 überwacht.
Nach dem Erreichen einer vorgegebenen Schwellenspannung U_S wird
die Messeinrichtung (Codiereinrichtung) mittels des Schalters 1005 abgeschaltet,
um die Spannungs- und Leistungsbelastung der Messeinrichtung 1001 zu
minimieren. Es folgt eine Ansteuerperiode der LEDs, deren Länge an die thermodynamischen
Eigenschaften des LED-Moduls angepasst ist. Nach Ablauf dieser Zeit
wird die Modulspannung erneut gemessen, um eine kontinuierliche
Temperaturüberwachung
zu gewährleisten.
Die Ansteuerung der LEDs kann zum beliebigen Zeitpunkt beendet werden.
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12 zeigt
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur einer Diodenanordnung,
wobei im Unterschied zu dem in 11 dargestellten
Ausführungsbeispiel
eine Messeinrichtung 1201 sowie eine hierzu in Serie geschaltete
Begrenzungseinrichtung 1203 zum Begrenzen der an der Messeinrichtung 1201 (Codierelement)
anliegenden Spannung auf einen Maximalwert U_max vorgesehen ist.
Das Messverfahren bleibt gleich.
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13 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Messeinrichtung mit einem temperaturabhängigen Widerstand 1301 (R_Temp
PTC), welcher zwischen einem Basis-Anschluss und einem Kollektoranschluss
eines Transistors T1 geschaltet ist. Zwischen dem Basis-Anschluss
und einem Emitter-Anschluss des Transistors T1 ist ferner ein Widerstand
R1 vorgesehen, wobei die Anordnung einen Temperaturschutz realisiert.
In Serie hierzu ist ein Stromcodierungswiderstand R_Cod angeordnet,
welcher weiterhin mit einem Emitter-Anschluss eines weiteren Transistors
T2 verbunden ist. Ein Basis-Anschluss des Transistors T2 ist über eine
Begrenzungs-Diode
D17 mit dem Anschluss 103 verbunden. Ein Kollektoranschluss
des Transistors T2 ist mit dem Anschluss 101 und über einen
Widerstand R2 mit dem Basis-Anschluss
des Transistors T2 verbunden, wodurch eine Spannungsbegrenzungsfunktion
realisiert wird. In der in 13 dargestellten
Realisierung wird die Spannung, die an dem Temperatursensor 1301 anliegt,
aktiv durch die Spannungsbegrenzung mit dem Transistor T2 begrenzt.
Die Transistoren können pnp-
oder auch npn-Transistoren sein.
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- 101
- Anschluss
- 103
- Anschluss
- 105
- Signalgenerator
- 107
- Messeinrichtung
- 109
- Widerstand
- 201
- Widerstand
- 301
- Widerstand
- 401
- Widerstand
- 403
- Widerstand
- R_Cod
- Widerstand
- 501
- Widerstand
- 503
- Diode
- 505
- Diode
- 601
- Widerstand
- 603
- Diode
- 605
- Diode
- 701
- Widerstand
- 703
- Kondensator
- 801
- Widerstand
- 803
- Kondensator
- 901
- Kondensator
- 903
- Widerstand
- 905
- Diode
- 907
- Widerstand
- 909
- Diode
- 1001
- Messeinrichtung
- 1004
- Überwachungseinrichtung
- 1005
- Schalter
- 1007
- Stromquelle
- 1009
- Spannungsquelle
- 1010
- Schalter
- 1101
- Stromquelle
- 1103
- Widerstand
- 1105
- Widerstand
- 1201
- Messeinrichtung
- 1203
- Begrenzungseinrichtung
- 1301
- Widerstand