DE102009003632A1

DE102009003632A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Last

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Publication number: DE102009003632A1
Application number: DE102009003632A
Authority: DE
Inventors: Fried Berkenkamp; Ingo Simanek; Gerd Vogler
Original assignee: Lear Corp GmbH
Current assignee: Lear Corp GmbH
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: US20100237787A1; CN101841954A; US8659235B2; CN101841954B; DE102009003632B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Last, insbesondere eine Anordnung von LEDs, mit einem Strom, dessen Stromstärke in Abhängigkeit von der Temperatur der Last variiert. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Versorgung einer Last mit einem Strom aus einer Stromquelle, wobei die Stromstärke des Stroms temperaturabhängig ist und auf eine maximal vordefinierte Stromstärke begrenzt wird. Die Temperaturabhängigkeit wird durch die verwendeten Bauelemente selbst erzielt ohne Zuhilfenahme spezieller Temperatursensoren. Der Stromquelle wird eine Referenzspannung zugeführt, welche von einem integrierten Schaltkreis abgeleitet wird. Die Referenzspannung wird von einem Port des integrierten Schaltkreises abgegriffen und ist daher schaltbar. Mittels dieser Referenzspannung wird ein Steuerstrom erzeugt, mittels dessen über eine Treiberstufe der Strom der Stromquelle erzeugt wird, wobei durch Elemente in der Stromquelle der Strom in seiner Stromstärke begrenzt und temperaturabhängig verändert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Last, insbesondere eine Anordnung von LEDs, mit einem Strom, dessen Stromstärke in Abhängigkeit von der Temperatur der Last variiert.
Zur Ansteuerung von LEDs, LED-Ketten und/oder LED-Arrays werden vorrangig Stromquellen verwendet, die üblicherweise einen Konstantstrom erzeugen. Problematisch ist jedoch, dass LEDs in Abhängigkeit ihrer Betriebs- und Umgebungstemperatur ihre Helligkeit verändern und zugleich der Stromfluss durch die LEDs temperaturabhängig variiert.
Um eine konstante Leuchtausbeute zu erreichen, muss daher der Strom, der den LEDs zugeführt wird, temperaturabhängig geregelt werden. Dies erfolgt in bekannter Weise über eine Pulsbreitenmodulation des zugeführten Stroms. Mittels einer Pulsbreitenmodulation wird dieser modulierte Strom dann zur Helligkeitssteuerung eingesetzt.
Die Anforderungen an eine derartige Stromquellengestaltung sind vor allem im automotiven Bereich sehr hoch und durch starke Betriebsschwankungen, z. B. zwischen 8 und 18 Volt, und des weiten Temperaturbereiches der Anwendung, zwischen –40°C und +120°C definiert. Zusätzlich wird ein hoher Wirkungsgrad gefordert. Zum Einsatz kommen daher Schaltregler, die aber einen hohen Schaltungsaufwand und einen hohen Preis bei der Serienfertigung haben.
Preiswerte Analogschaltungen lassen sich nur dann sinnvoll einsetzen, wenn die Differenz zwischen der temperaturabhängigen LED-Spannung und der Betriebsspannung gering ist und eventuell Kompromisse bei der Farbtemperatur eingegangen werden können. Bei farbigen LEDs ist dies leichter möglich als bei weißen LEDs.
Mit fallender Temperatur der LEDs steigt deren Flussspannung, aber auch die Lichtausbeute. Es ist daher nahe liegend, diesen temperaturabhängigen Anstieg der Flussspannung durch eine Verminderung des Stromes bei sinkender Temperatur auszugleichen, so dass sich diese Spannung kaum ändert, ohne eine Verringerung der Lichtausbeute hinnehmen zu müssen. Eine reine Spannungsstabilisierung ist jedoch auf Grund der exemplarabhängigen Streuung der Flussspannungen nicht sinnvoll einsetzbar. Im Weiteren sind von Anwendungsfall zu Anwendungsfall vordefinierte Kennlinien gefordert, die von positiv-linear, neutral, negativ-linear, bis hin zu nicht linear reichen.
Aus DE 197 32 828 C2 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leuchtdiodenarrays bekannt. Die Schaltungsanordnung weist einen Pulsbreitenmodulationsschalter auf, wobei der pulsbreite Modulationsschalter über eine Induktivität an das LED-Array gekoppelt ist.
Aus EP 1 278 402 B1 ist ein Schaltkreis für Leuchtdioden mit temperaturabhängiger Stromregelung bekannt. Hierzu wird eine Regeleinrichtung zum Regeln des Betriebsstroms der Leuchtdioden mit einem Solleingang verwendet, an dem ein Stromeinstellwert eingespeist werden kann. Im Weiteren ist ein Sollgeber, der an einem Sollwertausgang einen Stromsollwert ausgibt, vorhanden. Außerdem ist eine Tem peraturmesseinrichtung, die eine Temperaturmessgröße bereitstellt, die linear von der Umgebungstemperatur abhängig ist, angeordnet. Schließlich ist ein Subtrahierer vorhanden, mit einem ersten und einem zweiten Eingang sowie einem Ausgang, der eine elektrische Größe an seinem zweiten Eingang von einer elektrischen Größe an seinem ersten Eingang subtrahiert und das Ergebnis an seinem Ausgang bereitstellt, wobei dem ersten Eingang der Stromsollwert zugefügt wird und der Ausgang mit dem Sollwerteingang der Regeleinrichtung verbunden ist. Weiterhin ist eine Abschalteinrichtung mit einem Abschalteingang vorgesehen, die bei Anliegen eines Abschaltsignals am Abschalteingang den Stromeinstellwert so verändert, dass der Strom durch die Leuchtdioden vernachlässigbar klein wird. Nachteilig bei dieser Erfindung ist, dass kontinuierlich die Regelgrößen zu überwachen sind und in Abhängigkeit der Regelgrößen eine Anpassung der Ausgangswerte der Schaltung erfolgt. Dies ist relativ aufwendig, es werden sehr viele Bauteile verwendet und die vorgeschlagene Lösung ist kostenintensiv. Im Prinzip handelt es sich um eine bekannte Pulsbreitenmodulation des den Leuchtdioden zugeführten Stromes.
Aus DE 199 12 463 A1 ist ein Verfahren zur Stabilisierung der optischen Ausgangsleistung von Leuchtdioden und Laserdioden bekannt. Hierzu wird ein Verfahren beschrieben, mittels dessen der Einfluss der Temperatur auf die optische Ausgangsleistung von Leuchtdioden und Laserdioden kompensiert werden kann, ohne dass dazu eine Erfassung der Temperatur- oder Lichtleistung der Leuchtdioden oder Laserdioden erforderlich ist. Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass der durch eine Leucht- oder Laserdiode fließende Strom und die an ihr abfallende Durchlassspannung bei konstanter Lichtleistung unabhängig von der Temperatur in einem funktionalen Zusammenhang stehen, der sich ermitteln lässt. Ist dieser Zusammenhang bekannt, muss im Betrieb erreicht werden, dass Strom- und Durchlassspannung diesen Zusammenhang aufweisen, um den Temperatureffekt auf die Lichtleistung zu eliminieren. Es wird daher die Kombination aus Diodenstrom und Durchlassspannung als eindeutiges Maß der ausgesandten Lichtleistung verwendet und auf Basis dieser Daten die Durchlassspannung als Funktion des Diodenstroms verwendet. Nachteilig bei dieser gesamten Anordnung ist, dass über ein Pelltierelement die Temperatur der Dioden konstant gehalten wird, was zu einer extrem teuren Verwirklichung der Anordnung führt.
Aus DE 198 10 827 A1 ist eine Schaltung zur temperaturabhängigen Stromversorgung einer LED oder mehrerer LEDs offenbart. Hierzu werden die LEDs oder die LED an eine Stromquelle zur Versorgung mit Strom angeschlossen. Im Weiteren ist eine Logik vorhanden, um die Stromzufuhr abhängig von der LED-Temperatur zu regeln. Hierzu wird kontinuierlich die LED-Temperatur überwacht. Zur Stromregelung werden Schaltregler verwendet. Außerdem erfolgt eine lineare Anpassung des LED-Stroms, so dass der Lichtstrom exponentiell sinkt. Der Einsatz von Schaltreglern stellt eine kostenintensive Lösung dar und ist für den Masseneinsatz daher ungeeignet.
Aus DE 103 59 196 A1 ist eine Leuchtmittelanordnung für eine Beleuchtungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug offenbart. Die Leuchtmittelanordnung umfasst mindestens eine Leuchtdiode mit einem in Serie geschalteten Vorwiderstand, wobei Leuchtdiode und Vorwiderstand über elektrische Anschlüsse mit einer Versorgungsspannung versorgt werden können und ein Gesamtstrom durch die Leuchtmittelanordnung fließt. Es ist ein mindestens zu der Leuchtdiode oder zu der Leuchtdiode und dem Vorwiderstand parallel geschaltetes Stromflusssimulationsmittel vorgesehen, wobei die Leuchtmittelanordnung mit einer Auswerte- und Steuereinheit ausgestattet ist, die zur Überwachung der Versorgungsspannung geeignet ist. Die Auswerte- und Steu ereinheit ist weiterhin dazu geeignet, das Stromsimulationsmittel derart anzusteuern, dass ein vorbestimmter, minimal benötigter Gesamtstrom ab dem Unterschreiten eines vorbestimmten Spannungsschwellwertes bis zum Erreichen einer vorbestimmten, minimalen Versorgungsspannung durch die Leuchtmittelanordnung fließt. Diese Erfindung ist energetisch wenig sinnvoll, da eine resultierende Stromreduzierung durch parallel geschaltete Lasten erreicht wird. Diese Erfindung ist daher aus energiebilanztechnischen Gründen nicht erfolgsversprechend.
Aus DE 10 2006 033 233 A1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Leuchtdiode offenbart. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Temperatursignals, das eine Temperatur der Leuchtdiode repräsentiert, durch Abgreifen und Auswerten einer Flussspannung der Leuchtdiode in einem für Beleuchtungs- und Signalisierungszwecke aktivierten Betriebszustand. Das Temperatursignal repräsentiert eine Temperatur der Leuchtdiode und wird in Abhängigkeit der gemessenen Flussspannung bzw. des gemessenen, von der Flussspannung abgeleiteten Signals bereitgestellt. Nachteilig hierbei ist, dass kontinuierlich die Leuchtdioden auf ihre Temperatur überwacht werden müssen und dass anhand der Temperatur der zugeführte Strom variiert wird.
Aus DE 10 2007 003 343 A1 sind ein System und ein Verfahren zum Betreiben einer LED mit Konstantstrom und mit einer Redundanzschaltung offenbart. Diese Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Betrieb einer Leuchtdiode für eine konstante Lichtleistung mit folgenden Schritten:

a) Aufbau einer Gleichspannung aus einer Gleichspannungsquelle,
b) Vorsehen eines LED-Satzes zur Erzeugung eines LED-Stroms zum Leuchten der LED, wobei der LED-Strom gesteuert wird, und
c) Vorsehen eines Konstantspannungs- und Konstantstromreglers zur Klemmung des LED-Spannungsdifferentials und des Stroms, auch unter widrigen Umständen, wie Spannungsspitzen, Spannungs- und Stromquellen, Umgebungstemperaturerhöhung oder anderer Faktoren.

Nachteilig hierbei ist aber, dass zwingend eine Temperaturüberwachung und die Ableitung eines Temperatursignals notwendig sind. Dies ist wiederum aufwendig und verteuert eine schaltungstechnische Verwirklichung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, welche mit wenigen Standardbauelementen realisierbar sind und die einen vorgegebenen, temperaturabhängigen Strom in LEDs und/oder LED-Arrays treiben. Es sollen auch zugleich unterschiedliche Kennlinien realisierbar sein, ohne die Verwendung von zumeist kostspieleigen integrierten Schaltkreisen.
Diese Aufgabe wird anhand der Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 gelöst; weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der weiteren Beschreibung sowie eines konkreten Ausführungsbeispiels anhand einer konkreten Schaltungsanordnung.
Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Standardbauelemente mit ihren üblichen Toleranzen und typischen Temperaturabhängigkeiten ohne Verwendung spezieller Temperatursensoren in einer Schaltungsanordnung verwendet werden, die eine Referenzspannung, die zumeist hinreichend stabilisiert ist, eines Ports eines integrierten Schaltkreises, der in einem Steuergerät in einem Kraftfahrzeug vorhanden ist, als Referenzspannung nutzen.
Hierzu wird in vorteilhafter Weise ein Port eines integrierten Schaltkreises als Referenzspannung gewählt. Somit ist eine separate Stabilisierung oder Referenzerzeugung der Betriebsspannung nicht erforderlich und man macht sich die stabilisierte Spannung in einem ehedem vorhandenen integrierten Schaltkreis zu Nutze. Das Gesamttemperaturverhalten der Schaltungsanordnung ist mit speziellen Schaltungsteilen einstellbar. Mit diesen Schaltungsteilen sind lineare und nicht lineare Kennlinien der Stromquelle, welche den Strom für die zu treibende Last bereitstellt, realisierbar. Die zu treibende Last ist in vorzugsweiser Ausgestaltung der Erfindung ein LED-Array, bestehend aus mindestens zwei in Reihe oder parallel geschalteter LEDs.
Die Erfindung nutzt eine Referenzspannung, welche von einem Mikrocomputer oder Mikroprozessor oder integriertem Schaltkreis, vorzugsweise über einen zugehörigen Port, bereitgestellt wird. Von diesem Port wird ein Transistor als Stromquelle geschaltet, der einen Referenzstrom in ein Schaltungsteil speist, das aus einem weiteren Transistor und mehreren Widerständen besteht. Die über einen weiteren Schaltungsteil abfallende Spannung und der dort eingeprägte Strom dienen einer Treiberstufe, welche den Strom in die angeschlossene Last treibt, als Steuerungssignal.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Versorgung einer Last mit einem Strom aus einer Stromquelle, wobei die Stromstärke des Stroms temperaturabhängig ist und auf eine maximal vordefinierte Stromstärke begrenzt wird. Der Stromquelle wird eine Referenzspannung zugeführt, welche von einem integrierten Schaltkreis abgeleitet wird. Die Referenzspannung wird von einem Port des integrierten Schaltkreises abgegriffen und ist daher schaltbar. Mittels dieser Referenzspannung wird ein Steuerstrom erzeugt, mittels dessen über eine Treiberstufe der Strom der Stromquelle erzeugt wird, wobei durch Elemente in der Stromquelle der Strom in seiner Stromstärke begrenzt und temperaturabhängig verändert wird.
Vorteilhaft nach Patentanspruch 2 ist, dass die Stromstärke des Stromes über einstellbare Temperaturkoeffizienten der Stromquelle verändert wird. Auf diese Weise kann eine Kennlinie des Verlaufes der Stromstärke eingestellt werden, welche der Last angepasst wird. Das Verhalten der Stromquelle kann damit in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und der Temperatur der Last angepasst werden, wobei die Anpassung vorteilhaft selbsttätig durch die Bauelemente selbst erfolgt.
Vorteilhaft nach Patentanspruch 3 ist, dass die einstellbaren Temperaturkoeffizienten über eine gezielte Auswahl der Komponenten der Stromquelle erzielt werden. Somit kann für jede Last eine eigene. Kennlinie des Stromverlaufes eingestellt werden.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 4 wird die Stromquelle von einer Stromeinprägungseinheit, einer Spannungsveränderungseinheit, einer Referenzspannungsquelle und einer Treiberstufe gebildet.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 5 wird die Treiberstufe durch einen ersten Transistor, dessen Kollektor der Ausgang der Stromquelle ist, gebildet.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 6 wird die Last durch ein Diodenarray gebildet, welches aus mindestens zwei parallel und/oder in Reihe geschalteten Dioden besteht.
Vorteilhaft nach Patentanspruch 7 ist, dass die Referenzspannung, die von der Referenzspannungsquelle bereitgestellt wird, von einem Port des Mikrocomputers abgeleitet wird. Hierdurch wird eine hinreichend stabilisierte Spannung bereitgestellt, welche von Schwankungen der Versorgungsspannung weitgehend unabhängig ist. Außerdem können somit aufwendige Beschaltungen zur Erzeugung einer stabilen Referenzspannung unterbleiben. Es werden die ohnehin für den integrierte(n) Schaltkreis(e) vorhandenen Spannungsstabilisierungen mitverwendet.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 8 wird die Stromeinprägungseinheit durch einen zweiten Transistor und dessen Beschaltung mit vier Widerständen gebildet, wobei der Steuerstrom, der der Treiberstufe zugeführt wird, von dem zweiten Transistor in den zwischen Kollektor des zweiten Transistors und der Versorgungsspannung geschalteten ersten Widerstand eingeprägt wird.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 9 wird durch die Auswahl der zweiten und dritten Widerstände ein stark positiver Temperaturgang des Steuerstromes einstellbar.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 10 wird die Spannungserzeugungseinheit durch drei Widerstände gebildet, wobei durch die Wahl des dritten Widerstands (R2) ein positiver über neutral bis stark negativer Temperaturgang einstellbar ist.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einer Stromquelle mit einstellbarem Temperaturgang zum Treiben einer Last besteht aus drei Transistoren, nämlich einem ersten Transistor, einem zweiten Transistor und einem dritten Transistor und deren Beschaltung, wobei der Kollektor des dritten Transistors über einen ersten Widerstand und der Emitter des ersten Transistors über einen Emitterwiderstand auf eine Versorgungsspannung gelegt sind und die Basis des zweiten Transistors über einen weiteren Vorwiderstand mit einer Referenzspannung verbunden ist, wobei die Referenzspannung von einem Port eines integrierten Schaltkreises abgegriffen ist und der Kollektor des zweiten Transistors mit dem Emitter des dritten Transistors verbunden ist, wobei ein zweiter Widerstand parallel zum Emitter des dritten Transistors und dem ersten Widerstand geschaltet ist und die Basis des ersten Transistors mit dem Emitter des dritten Transistors und dem zweiten Widerstand verbunden ist.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 12 ist der dritte Transistor mit einem dritten und vierten Widerstand beschaltet, wobei der dritte Widerstand zwischen dem Kollektor und der Basis des dritten Transistors und der vierte Widerstand zwischen der Basis und dem Emitter des dritten Transistors geschaltet sind.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 13 stellt der Kollektor des ersten Transistors den Ausgangsstrom der Stromquelle bereit.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 14 ist der zweite Transistor mit seiner Basis über einen fünften Widerstand und der Emitter des zweiten Transistors über einen sechsten Widerstand auf Masse geführt und der Emitter des zweiten Transistors ist über einen siebten Widerstand auf die Versorgungsspannung geschaltet, wobei der siebte Widerstand zum sechsten Widerstand in Reihe geschaltet ist.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 15 ist mittels einer Auswahl des ersten, dritten und/oder vierten Widerstandes und des fünften und sechsten Widerstandes der Temperaturkoeffizient der Schaltungsanordnung einstellbar.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 16 sind mittels des fünften und sechsten Widerstandes ein negativer Temperaturkoeffizient und mittels des dritten Widerstandes ein positiver Temperaturkoeffizient einstellbar.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 17 ist bevorzugt, dass die Referenzspannung pulsweitenmodulierbar ist.
Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 18 ist bevorzugt, dass die Modulationsfrequenz 200 Hz beträgt.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels anhand der 1 bis 3 beschrieben.
1 zeigt den schematischen Aufbau der Schaltungsanordnung in Blockschaltweise,
2 zeigt die wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Stromquelle und der betriebenen Last,
3 zeigt einen diskreten Aufbau der gesamten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit angeschlossener Last und
4 zeigt den Verlauf der Stromstärke über die Temperatur mit einem definierten Temperaturknickpunkt.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromquelle 11, an deren Ausgang eine Last 12 angeschlossen ist. Die Stromquelle 11 besteht aus mehreren Komponenten, auf welche im Weiteren einzugehen ist. Die Last 12 ist vorzugsweise ein Dioden-Array, bestehend aus mindestens zwei in Reihe und/oder parallel geschalteten Leuchtdioden D1–Dn.
Die Last 12 wird mit einem Strom Iq aus der Stromquelle 11 versorgt. Die Stromstärke dieses Stromes Iq ist von der Umgebungstemperatur und der Betriebstemperatur der Last 12 abhängig. Auch die Umgebungstemperatur der Strom quelle 11 hat Einfluss auf die Stromstärke des Stromes Iq. Da es sich in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bei der Last 12 um ein Dioden-Array handelt, in 1 als eine Diodenkette von in Reihe geschalteten Dioden D1 bis Dn dargestellt, handelt es sich in diesem Fall beim Strom Iq um den Stromfluss durch dieses Dioden-Array. Daher steigen mit dem Fallen der Temperatur der Last 12, sprich der Betriebstemperatur der LEDs des Dioden-Arrays, deren Flussspannungen, zugleich aber auch deren Lichtausbeute. Diesem wird durch eine Verringerung der Stromstärke des Stromes Iq bei sinkender Temperatur entgegengewirkt. Der Spannungsabfall über der Last 12 muss sich daher kaum ändern, ohne eine Verringerung der Lichtausbeute hinnehmen zu müssen.
Diese Regelung der Stärke des Stromes Iq wird durch die temperaturkoeffizientenabhängige und einstellbare Stromquelle 11 erreicht. Mittels der Stromquelle 11 können sowohl negativ-lineare als auch positiv-lineare Stromkennlinien in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und/oder der Betriebstemperatur der Last 12 eingestellt werden.
2 zeigt den schematischen Aufbau der Stromquelle 20 und der angeschlossenen und zu versorgenden Last 25. Die Stromquelle 20 besteht aus einer Treiberstufe 23, einer Referenzspannungsquelle 24, einer Stromeinprägungseinheit 21 und einer Spannungsveränderungseinheit 22. Die Referenzspannungsquelle 24 wird durch einen Port eines Mikrocomputers, Mikrocontrollers oder eines integrierten Schaltkreises realisiert. Der Ausgang des Ports des Mikrocomputers, Mikrocontrollers oder eines integrierten Schaltkreises stellt eine hinreichend konstante Spannungsquelle dar, welche als Referenzspannung dient. Hierbei kommt die Erkenntnis zum Tragen, dass ein Mikrocomputer, Mikrocontroller oder integrierter Schaltkreis von einer stabilisierten Spannungsstabilisierung beinhaltet versorgt wird und somit ein zugehöriger Port eine nahezu konstante Spannung liefert. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zu Nutze und erspart somit eine aufwendige Spannungsstabilisierung.
Die Referenzspannungsquelle 24 dient als Eingangssignal der Stromeinprägungseinheit 21, welche über die Spannungsveränderungseinheit 22 einen Steuerstrom treibt, was als Bezugsspannung der Spannungsveränderungseinheit 22 der Treiberstufe 23 zugeführt wird. Die Treiberstufe 23 treibt dann den Strom Iq in Abhängigkeit der Bezugsspannung in die Last 25. Bei der Last 25 handelt es sich, wie bereits in 1 dargestellt, um ein Dioden-Array, dargestellt als eine Diodenkette von in Reihe geschalteten Dioden D1 bis Dn.
Die Bezugsspannung ist abhängig von der Umgebungstemperatur und der Betriebstemperatur der Last 25. Die Stromeinprägungseinheit 21 und die Spannungsveränderungseinheit 22 sind durch eine geeignet gewählte Auswahl der Beschaltung in der Lage, den Steuerstrom in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und/oder der Betriebstemperatur der Last 25 zu verändern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Spannungsveränderungseinheit 22 durch eine geeignete Beschaltung mit einem stark negativen Temperaturkoeffizienten und die Stromeinprägungseinheit 21 durch eine geeignete Beschaltung mit einem stark positiven Temperaturkoeffizienten ausgestattet, so dass eine wechselseitige Beeinflussung die Ausgestaltung eines Stromstärkeverlaufes des Stroms Iq mit einem definierten Temperaturknick ermöglicht.
In 3 ist ein diskreter Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Hierbei ist die Referenzspannungsquelle, in 2 mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet, durch einen Mikrocomputer μC und einem zuge hörigen Port realisiert. Die Stromeinprägungseinheit, in 2 mit Bezugszeichen 21 bezeichnet, ist durch einen Transistor TS realisiert, der über einen Widerstand R5 mit seiner Basis an die Spannung des Ports des Mikrocomputers μC angebunden ist. Der Widerstand R5 ist in Reihe mit einem Widerstand R6 geschaltet, der zwischen der Basis des Transistors TS und Masse liegt.
Die Basis des Transistors TS ist zwischen die Widerstände R5 und R6 geschaltet. Der Emitter des Transistors TS ist über einen Widerstand RS auf Masse geschaltet, zugleich wird der Emitter über einen Widerstand RK an die Betriebsspannung UB gelegt. Die Betriebsspannung kann zwischen 8 Volt und 18 Volt schwanken. Durch diese Schwankungen verändert sich die Verlustleistung des Transistors TQ und verursacht einen Fehler von Iq. Über den Widerstand RK wird versorgungsspannungsabhängig in den Widerstand RS ein Ausgleichsstrom getrieben, der den durch die Schwankungen verursachten Fehler von Iq ausgleicht. Der Kollektor des Transistors TS ist an die Spannungsveränderungseinheit, in 2 mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet, angebunden.
Diese Spannungsveränderungseinheit ist gebildet durch einen Widerstand R4, der parallel zu einer Spannungsabfalleinheit geschaltet ist. Diese Spannungsabfalleinheit besteht aus einem Transistor T1 und den Widerständen R1, R2 und R3. Der Widerstand R1 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors T1 und der Versorgungsspannung UB, der Widerstand R2 befindet sich zwischen Kollektor und Basis des Transistors T1 und der Widerstand R3 ist zwischen Basis und Emitter des Transistors T1 geschaltet. Der Kollektor des Transistors TS ist mit dem Emitter des Transistors T1 verbunden.
Die Treibereinheit, in 2 mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet, besteht aus einem Emitterwiderstand RE, der an die Versorgungsspannung UB angeschlossen ist, sowie einem Transistor TQ, wobei der Emitter des Transistors TQ an den Emitterwiderstand RE angeschlossen ist, die Basis des Transistors TQ ist an den Emitter des Transistors T1 und den Widerstand R4 angebunden. Über den Kollektor des Transistors TQ wird die Last 25 getrieben.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung ist wie folgt:
Der Transistor TS erzeugt einen Steuerstrom für den Transistor TQ, der als Treiber funktioniert. Diesen Steuerstrom prägt der Transistor TS in den Widerstand R4 ein.
Durch den Steuerstrom des Transistors TS wird am Widerstand R4 ein Spannungsabfall erzeugt. Zum Widerstand R4 sind der Transistor T1 mit seiner Beschaltung und der Widerstand R1 parallel geschaltet. Der Transistor T1 bildet zusammen mit den Widerständen R2 und R3 über seine Kollektor-Emitterstrecke faktisch eine Z-Diode. Diese Z-Diode ist, über die Widerstände R2 und R3 in ihrem Temperaturkoeffizienten einstellbar. In vorteilhafter Weise wird dort ein stark negativer Temperaturkoeffizient eingestellt. Im Gegenzug hierzu wird über den Transistor TS ein positiver Temperaturkoeffizient ausgestaltet.
Steigt die Umgebungstemperatur und/oder die Betriebestemperatur der Last D1 bis Dn, sinkt die Spannung über Kollektor und Emitter von T1. Wird sie kleiner als die an R4 abfallende Spannung, schaltet sich der Widerstand R1 dem Widerstand R4 parallel und begrenzt den Spannungsanstieg. Der eingeprägte Strom in R4, der über den Transistor TQ in den Strom Iq umgesetzt wird, wird dadurch begrenzt. Fällt die Temperatur, die Umgebungstemperatur und/oder die Betriebstemperatur der Last D1 bis Dn, dann steigt die Spannung über den Transistor T1 (über dessen Kollektor-Emitterstreoke) wieder an, bis der Widerstand R1 gegenüber R4 faktisch wirkungslos wird. Ab diesem Zeitpunkt setzt sich der starke positive Temperaturgang (Temperaturkoeffizient) des Transistors TS durch, weshalb an diesem Temperaturpunkt der Gesamttemperaturgang einen Knick erhält.
Verwendet man nur den Widerstand R4 des Schaltungsteils, entsteht ein positiver Temperaturgang des Steuerstromes und somit des Stromes Iq, der in die Last D1 bis Dn geführt wird. Werden nur der Transistor T1 und die Widerstände R1, R2 und R3 verwendet, kann speziell über den Widerstand R2 ein positiver bis neutral bis stark negativer Temperaturgang eingestellt werden. In Kombination mit dem Widerstand R4 lassen sich Temperaturgänge mit Knickpunkt einstellen, z. B. zunächst positiv, dann neutral oder negativ. Durch die Verwendung der Widerstände R5 und R6 kann ein starker positiver Temperaturgang eingestellt werden. Da als Referenz die hinreichend stabile Prozessorspannung des Mikroprozessors μC über dessen Port genutzt wird, entfallen zusätzliche Spezialbauelemente.
In 4 ist das Diagramm einer erfindungsgemäßen Stromquelle mit einstellbarem Temperaturkoeffizienten dargestellt. Der Temperaturknickpunkt ist hier bei +20°C festgelegt. Der Strom Iq fällt unterhalb von 20°C mit positivem Temperaturkoeffizienten, der entsprechend eingestellt wurde, stark ab, oberhalb von 20°C ist er neutral. In 4 ist der Verlauf des Stromes Iq mit 41 bezeichnet. Die LED-Spannung 42 steigt mit fallenden Temperaturen nicht mehr an und der Lichtstrom 43 wird begrenzt. Die Regelreserve zwischen der Versorgungsspannung und der an der Last abfallenden Spannung wird nicht weiter verringert, was den Arbeitsspannungsbereich der Stromquellenschaltung von z. B. 9,5–18 V auf 8–18 V verbessert.
Durch Schwankung der Versorgungsspannung UB ändert sich die Verlustleistung des Transistors TQ und verursacht einen Fehler von Iq. Über RK wird versorgungsspannungsab hängig in RS ein Ausgleichsstrom getrieben, der Fehler von Iq ausgleicht
Die Schaltungsanordnung ist auch für Helligkeitssteuerungen z. B. mit 200 Hz pulsweitenmudulationsfähig, vorzugsweise durch das Schalten der Referenzspannung UC.

11: Stromquelle
12: Last
D1...Dn: Leuchtdiode
20: Stromquelle
21: Stromeinprägungseinheit
22: Spannungsveränderungseinheit
23: Treiberstufe
24: Referenzspannungsquelle
25: Last
R1 bis R6: Widerstand
RE, RK, RS: Widerstand
TS, T1, TQ: Transistor
Iq: Strom
UB: Versorgungsspannung
Uc: Referenzspannung
μC: Mikrocomputer
D1 bis Dn: Leuchtdioden
UμC: Versorgungsspannung Mikrocomputer
41: Stromverlauf Iq
42: Spannungsverlauf
43: Verlauf Lichtausbeute.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19732828 C2 [0007]
- EP 1278402 B1 [0008]
- DE 19912463 A1 [0009]
- DE 19810827 A1 [0010]
- DE 10359196 A1 [0011]
- DE 102006033233 A1 [0012]
- DE 102007003343 A1 [0013]

Claims

Verfahren zur Versorgung einer Last (12, 25, D1 bis Dn) mit einem Strom (Iq) aus einer Stromquelle (11, 20), wobei die Stromstärke des Stroms (Iq) temperaturabhängig ausgestaltet und auf eine maximal vordefinierte Stromstärke begrenzt wird, wobei der Stromquelle (11) eine Referenzspannung (Uc) zugeführt wird, welche von einem integrierten Schaltkreis (μC) abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (Uc) von einem Port des integrierten Schaltkreises (μC) abgegriffen wird und schaltbar ist und mittels dieser Referenzspannung (Uc) ein Steuerstrom erzeugt wird, mittels dessen über eine Treiberstufe (23) der Strom (Iq) der Stromquelle (11) erzeugt wird, wobei durch Elemente in der Stromquelle (11) der Strom (Iq) in seiner Stromstärke begrenzt und temperaturabhängig verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke des Stromes (Iq) über einstellbare Temperaturkoeffizienten der Stromquelle (11) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbaren Temperaturkoeffizienten über eine gezielte Auswahl der Komponenten der Stromquelle (11) erzielt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (11, 20) aus einer Stromeinprägungseinheit (21), einer Spannungsveränderungseinheit (22), einer Referenzspannungsquelle (24) und einer Treiberstufe (23) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberstufe (23) durch einen ersten Transistor (TQ), dessen Kollektor der Ausgang der Stromquelle (11) ist, gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (12, 25, D1 bis Dn). durch ein Dioden-Array gebildet wird, welches aus mindestens zwei parallel und/oder in Reihe geschalteten Dioden (D1 bis Dn) besteht.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (Uc), die von der Referenzspannungsquelle (24) bereitgestellt wird, von einem Port des Mikrocomputers (•C) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromeinprägungseinheit (21) durch einen zweiten Transistor (TS) und dessen Beschaltung mit vier Widerständen (R5, R6, RS, RK) gebildet wird, wobei der Steuerstrom, der der Treiberstufe (23) zugeführt wird, von dem zweiten Transistor (TS) in den zwischen Kollektor des zweiten Transistors (TS) und der Versorgungsspannung (UB) geschalteten ersten Widderstand (R4) eingeprägt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswahl der zweiten und dritten Widerstände (R5, R6) ein stark positiver Temperaturgang des Steuerstromes einstellbar wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserzeugungseinheit (22) durch drei Widerstände (R1, R2, R3) gebildet wird, wobei durch die Wahl des dritten Widerstands (R2) ein positiver über neutral bis stark negativer Temperaturgang einstellbar wird.
Schaltungsanordnung einer Stromquelle (11, 20) mit einstellbarem Temperaturgang zum Treiben einer Last (D1 bis Dn), bestehend aus einem ersten Transistor (TQ), einem zweiten Transistor (TS) und einem dritten Transistor (T1) und deren Beschaltung, wobei der Kollektor des dritten Transistors (T1) über einen ersten Widerstand (R1) und der Emitter des ersten Transistors (TQ) über einen Emitterwiderstand (RE) auf eine Versorgungsspannung (UB) gelegt sind und die Basis des zweiten Transistors (TS) über einen weiteren Vorwiderstand (R5) mit einer Referenzspannung (UC) verbunden ist, wobei die Referenzspannung (UC) von einem Port eines integrierten Schaltkreises (μC) abgegriffen ist und der Kollektor des zweiten Transistors (TS) mit dem Emitter des dritten Transistors (T1) verbunden ist, wobei ein zweiter Widerstand (R4) parallel zum Emitter des dritten Transistors (T1) und dem ersten Widerstand (R1) geschaltet ist und die Basis des ersten Transistors (TQ) mit dem Emitter des dritten Transistors (T1) und dem zweiten Widerstand (R4) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Transistor (T1) mit einem dritten und vierten Widerstand (R2, R3) beschaltet ist, wobei der dritte Widerstand (R2) zwischen dem Kollektor und der Basis des dritten Transistors (T1) und der vierte Widerstand (R3) zwischen der Basis und dem Emitter des dritten Transistors (T1) geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des ersten Transistors (TQ) den Ausgangsstrom der Stromquelle bereitstellt.
Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor (TS) mit seiner Basis über einen fünften Widerstand (R6) und der Emitter des zweiten Transistors (TS) über einen sechsten Widerstand (RS) auf Masse geführt sind und der Emitter des zweiten Transistors (TS) über einen siebten Widerstand (RK) auf die Versorgungsspannung (UB) geschaltet ist, wobei der siebte Widerstand (RK) zum sechsten Widerstand (RS) in Reihe geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Auswahl des ersten, dritten und/oder vierten Widerstandes (R1, R2, R3) und des fünften und sechsten Widerstandes (R5, R6) der Temperaturkoeffizient der Schaltungsanordnung einstellbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des fünften und sechsten Widerstandes (R5, R6) ein positiver Temperaturkoeffizient und dass mittels des dritten Widerstandes (R2) ein negativer Temperaturkoeffizient einstellbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (Uc) pulsweitenmodulierbar pulsbar ist.
Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Modulationsfrequenz der Referenzspannung 200 Hz beträgt.