-
Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Fehlerdetektion wie z. B. die
Erkennung von Kurzschlüssen,
oder unerwünschten
Leerläufen
bei elektrischen Lasten, insbesondere die Detektion von Fehlfunktionen
von Leuchtdioden (LEDs), die innerhalb einer Kette von in Serie
geschalteten Leuchtdioden angeordnet sind.
-
Beleuchtungseinheiten
(z. B. Leuchtmittel), welche als strahlende Elemente Leuchtdioden (LEDs)
umfassen, können üblicherweise
nicht einfach mit einer Spannungsversorgung verbunden werden, sondern
müssen
mit Hilfe spezieller Treiberschaltungen (oder Regelschaltungen)
angesteuert werden, die die LEDs mit einem definierten Laststrom vorsorgen,
um eine gewünschte
Strahlungsleistung (Strahlungsfluss) zu gewährleisten. Da eine einzelne LED
nur eine geringe Durchlassspannung (von ungefähr 1,5 V bei infraroten GaAs-LEDs
bis hin zu 4 V für violette
und ultraviolette InGaN-LEDs) im Vergleich zu den üblichen
Versorgungsspannungen (z. B. 12 V, 24 V oder 42 V in Automobilanwendungen)
aufweist, werden mehrere LEDs in Serie zu sogenannten LED-Ketten
geschaltet.
-
In
vielen Anwendungen ist eine in den Treiberschaltungen (oder Regelschaltungen)
integrierte Fehlerkennung wünschenswert,
welche die Erkennung einzelner defekter LEDs innerhalb einer mit
einer Treiberschaltung verbundenen LED-Kette ermöglicht. Eine LED kann als Zweipol
betrachtet werden. Eine fehlerhafte LED äußert sich entweder durch einen
Kurzschluss oder einen Leerlauf zwischen den beiden Anschlüssen des
Zweipols. Wenn eine LED einer LED-Kette aufgrund eines Fehlers einen
Leerlauf bildet, kann dies einfach detektiert, da die fehlerhafte
LED den Stromfluss durch die ganze LED-Kette unterbricht. Wenn eine
LED einer LED-Kette aufgrund eines Fehlers einen Kurzschluss bildet,
emittiert nur die fehlerhafte LED kein Licht mehr, was in machen
Applikationen unproblematisch sein kann. Viele Anwendungen erfordern
jedoch, dass die abgestrahlte Leistung innerhalb eines schmalen
Bereichs bleibt.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
zur Verfügung
zu stellen, welche dazu geeignet ist, fehlerhafte Leuchtdioden innerhalb
von Leuchtdioden-Ketten
zu erkennen, was sowohl die Erkennung von Kurzschlüssen in
einzelnen Leuchtdioden umfasst.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, durch die Beleuchtungseinrichtung
gemäß Anspruch
14 sowie das Verfahren gemäß Anspruch
18 gelöst.
Unterschiedliche Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Es
wird eine Vorrichtung zur Erkennung von Fehlfunktionen in Beleuchtungseinheiten
offenbart, die zumindest zwei in Serie geschaltete Leuchtdioden
aufweisen. Die Vorrichtung umfasst einen ersten, einen zweiten und
einen dritten Schaltungsknoten, die eine Schnittstelle zu der Beleuchtungseinheit bilden,
so dass der Spannungsabfall über
zumindest zwei Leuchtdioden zwischen dem ersten und dem zweiten
Schaltungsknoten anliegt und ein Bruchteil des Spannungsabfalls
zwischen dem ersten und dem dritten Schaltungsknoten anliegt. Eine
Auswerteeinheit ist mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten
Schaltungsknoten verbunden und dazu ausgebildet, auszuwerten, ob
das elektrische Potential an dem dritten Schaltungsknoten innerhalb
eines vordefinierten Toleranzbereichs um einen Sollwert liegt, wobei
der Sollwert einem vordefinierten Bruchteil der Potentialdifferenz
zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten entspricht.
-
Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert. In
den Abbildungen zeigen
-
1 ein
erstes Beispiel der Erfindung mit einem Spannungsteiler, der den
Sollwert festlegt;
-
2 ein
zweites Beispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Spannungsteiler,
der eine Vielzahl von Zwischen-Abgriffen und einen Multiplexer zur
Auswahl eines geeigneten Zwischenabgriffs aufweist, um den Sollwert
einzustellen; und
-
3 ein
drittes Beispiel der Erfindung mit einem Analog-Digital-Wandler
und einer Recheneinheit (Arithmetik-Logik-Einheit, ALU) zum Prüfen der Beleuchtungseinheit.
-
In
den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche
Komponenten bzw. Signale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
-
In
vielen Anwendungen ist eine in den Treiberschaltungen integrierte
Fehlererkennung wünschenswert,
welche einer Detektion fehlerhafter LEDs innerhalb einer mit einer
Treiberschaltung verbundenen LED-Kette ermöglicht. Eine fehlerhafte LED äußert sich
entweder als Leerlauf oder als Kurzschluss zwischen den zwei Anschlüssen der
fehlerhaften LED. Wenn eine LED innerhalb einer LED-Kette aufgrund
eines Fehlers einen Leerlauf bildet, unterbricht die fehlerhafte
LED den Strom für
die gesamte LED-Kette, was in einfacher Weise detektiert werden
kann wie z. B. durch eine Überwachung des
Laststroms durch die LED-Kette. Wenn eine LED aufgrund eines Fehlers
einen Kurzschluss bildet, hört lediglich
die defekte LED auf, Strahlung zu emittieren, und der Spannungsabfall über der
gesamten LED-Kette vermindert sich um die Durchlassspannung einer
einzelnen LED. Ein Kurschluss kann also dadurch detektiert werden,
dass der Spannungsabfall über
der gesamten LED-Kette überwacht
wird. Wenn dieser Spannungsabfall unter einen vorgegebenen konstanten
Schwellwert fällt,
kann daraus ge schlossen werden, dass eine LED aufgrund eines Defekt
einen Kurzschluss bildet.
-
Ein
grundsätzliches
Problem bei diesem Konzept der Kurzschluss-Fehlererkennung ist,
dass der Spannungsabfall über
der LED-Kette nicht allein aufgrund eines Kurzschlusses einer einzelnen
LED sinken kann, sondern auch aufgrund von Temperaturschwankungen
sowie Alterungseffekten. Daher ist es möglich, dass ein Fehler erkannt
wird, obwohl sämtliche
Leuchtdioden in Ordnung sind oder umgekehrt, dass ein Fehler nicht
erkannt wird trotz einer fehlerhaften Leuchtdiode. Dieses Problem
tritt insbesondere in Anwendungen mit großen zulässigen Temperaturbereichen
auf, wie z. B. im Automobilbereich, wo Glühlampen zunehmend durch LED-basierte
Beleuchtungseinheiten ersetzt werden.
-
Zur
Lösung
der oben genannten Probleme wird eine neue Schaltungsanordnung zur
Erkennung von Fehlfunktionen in Beleuchtungseinheiten vorgeschlagen,
die zumindest zwei in Serie geschaltete Leuchtdioden aufweisen (d.
h. Beleuchtungseinheiten mit eine LED-Kette). Als erstes Beispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt 1 eine Schaltung,
die einen ersten Schaltungsknoten A, und einen zweiten Schaltungsknoten
C und einen dritten Schaltungsknoten B aufweist. Diese Schaltungsknoten
A, B, C bilden eine Schnittstelle zur einer Beleuchtungseinheit,
derart, dass ein Spannungsabfall VAC über einer Kette
von Leuchtdioden LD1, LD2,
..., LDN zwischen den Knoten A und C anliegt
und ein Bruchteil VBC des Spannungsabfalls
VAC zwischen den Knoten B und C anliegt.
Das heißt,
die LED-Kette LD1, LD2,
... LDN hat einen Zwischen-Abgriff, der
mit dem Schaltungsknoten B verbunden ist. Das Verhältnis knominal zwischen der Teilspannung VBC und dem Spannungsabfall VAC über der
LED-Kette ist (ungefähr) knominal = m/N, wobei
N die Anzahl der LED in der Kette und m die Anzahl der LEDs zwischen
dem Zwischenabgriff der LED-Kette und dem Schaltungsknoten C ist.
Das Verhältnis
knominal ist daher ein vordefinierter Wert,
der abhängig
von dem physikalischen Aufbau der LED-Kette ist.
-
Die
Schaltung aus 1 zeigt weiter eine Auswerteeinheit,
welche mit den Schaltungsknoten A, B und C gekoppelt ist. Die Auswerteeinheit
ist dazu ausgebildet, zu prüfen,
ob das elektrische Potential VB an dem dritten
Schaltungsknoten B sich innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs
um den Nennwert knominal·VAC befindet.
Wie bereits erwähnt
ist der Nennwert knominal·VAC definiert als Bruchteil knominal =
m/N der Potentialdifferenz VAC zwischen den
Schaltungsknoten A und C.
-
Durch
Verwendung eines vordefinierten Bruchteils knominal·VAC der Spannung VAC über der LED-Kette
als Kriterium anstatt der Verwendung eines festen Spannungsschwellwertes
für die
Auswertung, ob die LED-Kette eine fehlerhafte LED aufweist, wird
die Fehlererkennung zuverlässiger
und robuster gegen Variationen der Durchlassspannungen der einzelnen
LEDs, wobei diese Variationen unter Anderem aufgrund von Temperaturschwankungen
oder Alterungseffekten auftreten können.
-
Wie
in dem Beispiel aus 1 dargestellt, kann die Auswerteeinheit
einen Spannungsteiler umfassen, der mit den Schaltungsknoten A und
C verbunden und dazu ausgebildet ist, an einem Zwischenabgriff S
den oben erwähnten
vordefinierten Bruchteil VSC = knominal·VAC der Potentialdifferenz VAC zwischen
den Schaltungsknoten A und C bereitzustellen. D. h., der Spannungsteiler
stellt den Spannungsbruchteil VSC zur Verfügung, der
ungefähr gleich
dem Spannungsbruchteil VBC ist, welcher
von der LED-Kette erzeugt wird für
den Fall, dass alle LED der Kette funktionieren.
-
Im
Falle eines Kurzschlusses zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss
von zumindest einer LED der LED-Kette ändert sich das tatsächliche
Verhältnis
k = VBC/VAC entweder
zu k = m/(N – 1),
sodass k > knominal in jenen Fällen, in denen die fehlerhafte
LED zwischen den Schaltungsknoten A und B liegt oder zu k = (m – 1)/(N – 1), sodass
k < knominal in
jenen Fällen,
in denen die fehlerhafte LED zwischen den Schaltungsknoten B und
C liegt. Durch Auswerten der oben genannten Ungleichungen ist eine
Lokalisierung der defekten LEDs möglich. Dies kann insbesondere
dann sinnvoll sein, wenn eine Beleuchtungseinheit zwei räumlich getrennte
LED-Kettenabschnitte
abweist, die in Serie zueinander geschaltet sind, wobei der Schaltungsknoten
B die Beleuchtungseinheit zwischen diesen beiden Kettenabschnitten
kontaktiert. So wird es möglich,
eine fehlerhafte LED in dem ersten oder dem zweiten Kettenabschnitt
zu lokalisieren.
-
Durch Überprüfen, ob
der Spannungsbruchteil VBC = k·VAC ungefähr
gleich der Spannung VSC = knominal·VAC ist, kann die Integrität der LED-Kette (bzw. der LED-Kettenabschnitte)
getestet werden. In der Praxis bedeutet ”ungefähr gleich”, dass die Spannung VBC = k·VAC innerhalb eines gewissen Toleranzbereichs ΔV um die
Spannung VSC = knominal·VAC liegt, wie z. B. VBC ∈ [VSC – ΔV, VSC + ΔV],was
gleichbedeutend ist mit k ∈ [knominal – Δk, knominal + Δk],für den Fall,
dass nur die Verhältnisse
der Spannungen betrachtet werden (wobei ΔV = Δk·VAC)
ist.
-
Der
oben beschriebene Vergleich zwischen den Spannungen VBC und
VSC kann z. B. durch die Verwendung eines
Fenster-Komparators implementiert werden, der ein verhältnismäßig ”schmales” Fenster
im Vergleich zu dem Absolutwert des Spannungsbruchteils VBC (oder VSC) aufweist.
In dem Beispiel aus 1 ist der Fensterkomparator
durch die zwei Komparatoren K1 und K2 verwirklicht, wobei jeder eine Hysterese
von ΔV aufweist,
sowie durch ein ODER-Gatter G1, welches
die Ausgangssignale der Komparatoren K1 und
K2 verknüpft.
Der Ausgang des ODER-Gatters G1 zeigt an,
ob eine fehlerhafte LED in der LED-Kette detektiert wurde oder ob die LED-Kette
voll funktionsfähig
ist.
-
In
dem Beispiel aus 1 umfasst der resistive Spannungsteiler
die gleiche Anzahl von Widerständen
wie LEDs in der Beleuchtungseinheit vorhanden sind. Jedoch gibt
es keine Notwendigkeit für eine
bestimmte Anzahl von Widerständen,
solange das Teilungsverhältnis
knominal passend eingestellt werden kann.
Das gleiche Ergebnis kann auch durch einen resistiven Spannungsteiler
erreicht werden, der Potentiometer aufweist. In dem Beispiel aus 2 wurde
der resistive Spannungsteiler aus 1, der ein
festes Teilungsverhältnis
m/N aufweist, ersetzt durch ein Digitalpotentiometer, das eine Serienschaltung
von Widerständen
R1, R2, ..., RK mit jeweils gleichen Widerstandswerten
umfasst (wobei z. B. k = 256). Dabei sind die Schaltungsknoten zwischen
jeweils zwei benachbarten Widerständen mit einem Multiplexer
MUX verbunden. D. h. der Multiplexer MUX stellt, nach Maßgabe eines
(z. B. 8 Bit-)Steuersignals CS, eine Verbindung zu einem auswählbarem
Schaltungsknoten zwischen zwei benachbarten Widerständen her,
um so das nominelle Teilungsverhältnis
knominal einzustellen. Im Fall eines 8 Bit-Digitalpotentiometers
kann das Verhältnis
in Schritten von 1/255 (ungefähr
0,39%) des Gesamtwiderstandswertes eingestellt werden.
-
Die
Verwendung eines Digitalpotentiometers ermöglicht das Einstellen des nominalen
Teilungsverhältnisses
knominal auf einen Wert, der für die jeweils angeschlossene
Beleuchtungseinheit passt und ermöglicht so die Verwendung einer
Vielzahl unterschiedlicher Beleuchtungseinheiten.
-
Um
nicht nur Kurzschluss-Defekte sonder auch Leerlauf-Defekte erkennen
zu können,
können die
Beispiele aus den 1 bzw. 2 eine Schaltung
aufweisen zu Detektion, ob der Laststrom durch die Beleuchtungseinheit
einen bestimmten nominalen Wert überschreitet
oder nicht. In den dargestellten Beispielen wird ein Strommesssignal
VC mit Hilfe eines Shunt-Widerstands Rsense bereitgestellt,
der in Serie zu der Beleuchtungseinrichtung geschaltet ist oder
der, als Alternative, in der Beleuchtungseinheit integriert sein
kann. Jedoch können
auch andere Methoden zur Strommessung verwendet werden. Im Falle,
dass der Laststrom der Beleuchtungseinheit mit Hilfe eines MOSFETs
geschaltet wird, kann auch eine Sense-FET-Anordnung verwendet werden, um ein Strommesssignal
zu erzeugen. In manchen Anwendungen kann ein den Laststrom repräsentierendes
Signal direkt an der Stromquelle, welche den Strom für die Beleuchtungseinheit
zur Verfügung stellt,
abgegriffen werden (vgl. Stromquelle Q in den 1 und 2).
-
In
den Beispielen aus 1 und 2 wird das
Strommesssignal mit einem Schwellwert unter Verwendung eines Komparators
K3 verglichen, wobei der Schwellwert durch
die Hysterese des Komparators K3 bestimmt
wird. Der Ausgang OOPEN des Komparators
K3 zeigt an (durch einen entsprechenden
Logikpegel ”High”), ob das
Strommesssignal VC unterhalb des Schwellwerts
liegt, was bedeutet, dass kein Strom durch die Beleuchtungseinheit
fließt,
was wiederum auf einen Leerlauf-Defekt einer LED hinweist.
-
Um
eine fehlerhafte Detektion eines Kurzschlusses zu vermeiden, kann
der Ausgang des Fensterkomparators (umfassend K1,
K2 und G1) mit dem
Ausgang OOPEN, der einen Leerlauf signali siert, mit
Hilfe eines weiteren Gatters G2 verknüpft werden, so
dass der Ausgang des Fensterkomparators nur dann an einen Ausgangsanschluss
OSHORT durchgeschaltet wird, wenn der Komparator
K3 nicht einen Leerlauf signalisiert. In
den dargestellten Beispielen ist das Gatter G2 ein
UND-Gatter mit einem invertiertem Eingang. Jedoch können ohne
Weiteres auch andere Typen von Gattern verwendet werden, um die gleiche
Funktionalität
zu implementieren. Des Weiteren können unterschiedliche Logikpegel
(”High” oder ”Low”) verwendet
werden, um Defekte LEDs anzuzeigen.
-
Ein
weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt.
Dieses Beispiel verwendet zumindest einen Analog-Digital-Konverter
ADC sowie eine Recheneinheit ALU (Arithmetik-Logik-Einheit), welche
z. B. in einem Mikrokontroller oder einem digitalen Signalprozessor
(DSP) integriert sein kann. In dem Beispiel aus 3 ist
die Funktion des Fensterkomparators (vgl. 1, Komponenten
K1, K2, G1) in der Recheneinheit ALU digital implementiert.
Daher werden die elektrischen Potentiale VA,
VB und VC an den
Schaltungsknoten A, B bzw. C digitalisiert. Die Digitalisierung
kann dabei mit Hilfe dreier Analog-Digital-Konverter parallel vorgenommen
werden oder, als Alternative, mit Hilfe eines Multiplexers MUX', der sequentiell
den Analog-Digital-Konverter ADC mit den Schaltungsknoten A, b bzw.
C verbindet. Der Multiplexer MUX' sowie
der Analog-Digital-Konverter ADC können ebenfalls durch die Recheneinheit
ALU gesteuert werden. Der Recheneinheit ALU werden digitale Werte
zugeführt,
welche die elektrischen Potentiale VA, VB sowie VC repräsentieren,
und ist darauf programmiert, den Spannungsabfall VAC über der
LED-Kette zu berechnen, nämlich VAC = VA – VC,sowie den Spannungsbruchteil VBC an einem Mittenabgriff der LED-Kette VBC = VB – VC.
-
Nachdem
die Spannungswerte VAC sowie VBC berechnet
worden sind, kann der aktuelle Wert VBC mit
dem nominellen Wert knominal·VAC verglichen werden, wie dies bereits oben
unter Bezugnahme auf die Beispiele aus 1 und 2 erläutert wurde. Der
Faktor knominal kann auf den Wert knominal = m/N gesetzt werden, wobei N die
gesamt Anzahl der LEDs in der LED-Kette darstellt und m die Anzahl
der LEDs, die zwischen den Schaltungsknoten B und C geschaltet sind.
Des Weiteren kann der digitalisierte Wert des Potentials VC als Strommesssignal verwendet werden analog
zu dem Beispiel aus 1 oder 2. Folglich
kann der digitalisierte Wert des Potentials VC dazu
verwendet werden, um zu überprüfen, ob
ein Leerlauf-Defekt bei einer der LEDs vorliegt, was dann der Fall
ist, wenn VC einen vorgegebenen Schwellwert
VTH nicht überschreitet.
-
Ein
beispielhafter Algorithmus, der von der Recheneinheit ALU ausgeführt werden
kann, ist im Folgenden dargestellt:
wenn VC > VTH
dann
berechne
VAC und VBC;
berechne
VSC = m·VAC/N;
wenn
VBC < (VSC – ΔV) oder VBC > (VSC + ΔV)
dann
signalisiere Kurzschluss;
andernfalls
signalisiere Leerlauf.
-
Für einen
Fachmann ist erkennbar, dass der obige Algorithmus auf unterschiedliche
Weise abgeändert
werden kann, ohne dessen eigentliche Funktion zu verändern. Abhängig von
der verwendeten Hardware (z. B. der Recheneinheit ALU) kann die
optimale Implementierung aufgrund spezieller Anforderungen der Hardware
variieren. Eine alternative Implementierung des obigen Algorithmus
könnte
z. B. wie folgt aussehen:
wenn VC > VTH
dann
berechne
VAC und VBC;
berechne
k = VBC/VAC;
berechne
knominal = m/N;
wenn k < (knominal – Δk) oder k > (knominal + Δk)
signalisiere
Kurzschluss;
andernfalls
signalisiere Leerlauf.
-
Die
oben beschriebe Schaltung zur Fehlererkennung kann kombiniert werden
mit einer Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Beleuchtungseinheit
mit einem bestimmten Laststrom-Sollwert
zu versorgen. Eine Stromquelle Q, wie sie z. B. in den 1 und 3 dargestellt
ist, kann als Teil der Treiberschaltung angesehen werden. Um die Schaltung
zur Fehlererkennung von der Beleuchtungseinheit zu entkoppelt, können Pufferschaltungen
B1 und B2 (Impedanzwandler)
mit einer hohen Eingangsimpedanz verwendet werden, um zu vermeiden,
dass ein Teil des Laststroms über
die Spannungsteiler aus den 1 und 2 abfließt. Sofern jedoch
der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers hoch genug ist, können die
Puffer auch weggelassen und durch eine direkte Verbindung zwischen
dem Spannungsteiler und der Beleuchtungseinrichtung ersetzt werden.
Puffer können
auch eingangsseitig mit dem Analog-Digital-Wandler verbunden werden (vgl. das Beispiel
aus 3), wenn die Eingangsimpedanz des Analog-Digital-Wandlers
nicht hoch genug ist.