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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.
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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.
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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. Unterschiedliche Ansteuer- bzw. Treiberschaltungen für LEDs sind in den Publikationen
US 2006/0170287 A1 ,
JP 2005-109025 A ,
JP 2008-016302 A ,
US 2007/0159750 A1 und
DE 199 29 165 A1 beschrieben.
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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 auch die Erkennung von Kurzschlüssen in einzelnen Leuchtdioden umfasst.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, durch die Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 6 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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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.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert. In den Abbildungen zeigen
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1 eine Schaltung zum Erkennen von Fehlfunktionen in Beleuchtungseinrichtungen mit einem Spannungsteiler, der den Sollwert festlegt;
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2 ein Ausführungsbeispiel 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
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3 eine weitere Schaltung mit einem Analog-Digital-Wandler und einer Recheneinheit (Arithmetik-Logik-Einheit, ALU) zum Prüfen der Beleuchtungseinheit.
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In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bzw. Signale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
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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 geschlossen werden, dass eine LED aufgrund eines Defekt einen Kurzschluss bildet.
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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.
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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 nicht beanspruchtes Beispiel 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 erfindungsgemäßen 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.
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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.
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Um nicht nur Kurzschluss-Defekte sondern auch Leerlauf-Defekte erkennen zu können, können die Beispiele aus den 1 bzw. 2 eine Schaltung aufweisen zur 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).
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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.
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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 signalisiert, 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.
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Ein weiteres nicht beanspruchtes Beispiel 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
