DE102010003506A1

DE102010003506A1 - LED-Clusterschaltung mit Fehlerdetektion

Info

Publication number: DE102010003506A1
Application number: DE102010003506A
Authority: DE
Inventors: Adam Horvath; Hans Hoschopf
Original assignee: Ledon Lighting Jennersdorf GmbH
Current assignee: Tridonic Jennersdorf GmbH
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2030-04-01
Also published as: DE102010003506B4

Abstract

Bei einer LED-Clusterschaltung (1), bei der mindestens zwei LEDs (LED1-LEDN) oder mindestens zwei Gruppen von LEDs in Serie geschaltet sind, sind zur Fehlerdetektion eine Überwachungsschaltung (2) und eine Auswerteschaltung (3) vorgesehen. Die Überwachungsschaltung (2) enthält Parameter-Abgriffselemente, die vorzugsweise von bipolaren Transistoren (Q1-QN) gebildet sind. Dabei wird jeder der mindestens zwei in Serie geschalteten LEDs (LED1-LEDN) oder jeder der mindestens zwei in Serie geschalteten Gruppen von LEDs ein Parameter-Abgriffselement zugeordnet. Jedes Parameter-Abgriffselement ist mit der ihm zugeordneten LED oder Gruppe von LEDs verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine LED-Clusterschaltung mit Fehlerdetektion, bei der mindestens zwei LEDs oder mindestens zwei Gruppen von LEDs in Serie geschaltet (und somit einen Cluster im Sinner der Erfindung bilden) sind, mit einer Parameter-Abgriffselemente enthaltenden Überwachungsschaltung, und mit einer mit der Überwachungsschaltung verbundenen Auswerteschaltung.
Eine derartige LED-Clusterschaltung mit Fehlerdetektion ist nach der später noch genauer erläuterten US 2008/0204029 A1 bekannt.
LEDs finden in verstärktem Maße Anwendung in der Beleuchtungstechnik. Die Lichtstärke einer einzelnen LED reicht in der Regel jedoch nicht aus, um Beleuchtungseffekte zu erzielen, die bisher mit Glühbirnen oder anderen herkömmlichen Beleuchtungsmitteln erreicht werden konnten. Aus diesem Grunde schaltet man eine Vielzahl von LEDs in einer LED-Clusterschaltung zusammen, wobei die LEDs in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung parallel und/oder in Serie geschaltet werden. Es liegt dabei auf der Hand, dass der Ausfall einer einzelnen LED, sei es durch Kurzschluss oder durch Unterbrechung, Einfluss auf das gesamte LED-Cluster hat. Das kann je nach der Verschaltungsart dazu führen, dass die Stromzufuhr für die anderen LEDs entweder unterbrochen oder aber soweit verstärkt wird, dass sie Schaden nehmen können. In bestimmten Anwendungsfällen ist es daher erforderlich, dass die LED-Clusterschaltungen mit einer Fehlerdetektion versehen sind. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn LED-Cluster in Verkehrsampeln, Automobilscheinwerfern, Bremsleuchten, Rücklichtern oder dgl. Verwendet werden.
Die einfachste Art einer Fehleranzeige besteht darin, dass die Stromzufuhr der LED-Clusterschaltung dahin gehend überwacht wird, ob der Gesamtstrom bestimmte Grenzwerte über- bzw. unterschreitet. Diese Möglichkeit erlaubt jedoch keine Rückschlüsse darauf, welche LEDs bzw. welche Gruppe von LEDs defekt sind/ist und welcher Art der Fehler ist.
Zur Vermeidung des letztgenannten Nachteils wurde in der eingangs erwähnten US 2008/0204029 A1 vorgeschlagen, eine LED-Clusterschaltung in mindestens zwei Sektionen aufzugliedern, von denen jede aus einer gleichen Anzahl von in Serie geschalteten LEDs besteht. Eine weiterhin vorgesehene Überwachungsschaltung besteht aus einer der Zahl der Sektionen gleichen Anzahl von Parameter-Abgriffselementen in Form von kaskadenförmig verschalteten bipolaren Transistoren. Jeder Transistor ist mit seinem Basisanschluss über einen Strombegrenzungswiderstand mit einem bestimmten Verbindungspunkt zwischen jeweils zwei bestimmten LEDs einer der dem Transistor zugeordneten Sektion verbunden. Wenn alle LEDs der Clusterschaltung ordnungsgemäß arbeiten, ist die Überwachungsschaltung im Standby-Zustand (non-invasiv), d. h. sie verbraucht praktisch keine Energie. Einer mit der Überwachungsschaltung verbundenen Auswerteschaltung werden in diesem Fall keine Fehlersignale gemeldet. Wenn dagegen eine LED oder mehrere LEDs fehlerhaft ist/sind, so wird das Gleichgewicht gestört, mit der Folge, dass die Überwachungsschaltung der Auswerteschaltung ein Fehlersignal zuführt, welches diese dann auswertet und meldet.
Unter „Parameter-Abgriffselementen” sollen allgemein Schaltungselemente verstanden werden, die aus einer Schaltung einen der nachfolgenden Parameter Leistung, Strom oder die Spannung abgreifen. Im Falle der bekannten LED-Clusterschaltung sind das im konkreten Fall bipolare Transistoren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine LED-Clusterschaltung mit Fehlerdetektion anzugeben, die nicht mehr der Beschränkung hinsichtlich der Anordnung der LEDs in mehreren parallel geschalteten Sektionen unterliegt. Einzige Bedingung ist, dass mindestens zwei LEDs oder mindestens zwei Gruppen von LEDs in Serie geschaltet sind, was wegen der geringen Betriebsspannung der LEDs praktisch immer der Fall ist.
Die Aufgabe ist gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 und 2 dadurch gelöst, dass jeder der mindestens zwei in Serie geschalteten LEDs oder jeder der mindestens zwei in Serie geschalteten Gruppen von LEDs ein Parameter-Abgriffselement zugeordnet ist und dass jedes Parameter-Abgriffselement mit der ihm zugeordneten LED oder Gruppe von LEDs verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Lösung verzichtet damit auch bewusst darauf, dass die Überwachungsschaltung im Normalbetrieb weitgehend stromlos arbeitet. Stattdessen soll gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 von jeder LED bzw. jeder Gruppe von LEDs ein möglichst geringer aber konstanter Strom abgezweigt werden. Dazu kann jedes Parameter-Abgriffselement – wie beim Stand der Technik – von einem bipolaren Transistor gebildet sein. Abweichend vom Stand der Technik soll jedoch die Emitter-Basisstrecke jedes Transistors zu der zugeordneten LED oder Gruppe von LEDs parallel geschaltet werden, derart, dass der Emitter bei Verwendung von pnp-Transistoren mit der/den Anode/n und bei Verwendung von npn-Transistoren mit der/den Katode/n der zugeordneten LED bzw. der zugeordneten Gruppe von LEDs verbunden ist.
Damit jeder bipolare Transistor einen möglichst konstanten Stromfluss abzweigt, soll gemäß Anspruch 4 zwischen die Basis jedes bipolaren Transistors und die zugeordnete LED bzw. Gruppe von LEDs ein Strombegrenzungswiderstand einfügt sein.
Eine andere zweckmäßige Weiterbildung kann gemäß Anspruch 5 darin bestehen, dass der Kollektor jedes bipolaren Transistors über eine Serienschaltung aus einem Lastwiderstand und einer Zenerdiode an den entsprechenden Stromversorgungsanschluss geführt ist, und dass bei jedem bipolaren Transistor der Verbindungspunkt zwischen dem Lastwiderstand und der Zenerdiode mit der Auswerteschaltung verbunden ist.
Zweckmäßigerweise wird gemäß Anspruch 6 zu jeder Zenerdiode ein Glättungskondensator parallel geschaltet.
Die Zenerdiode wird leitend, wenn der Korrektorstrom des bipolaren Transistors durch einen Unterbrechungsdefekt der LED erhöht wird. Damit wird der Auswerteschaltung signalisiert, dass ein Unterbrechungsdefekt vorliegt. Trotz des Unterbrechungsdefektes fließt weiterhin Strom durch den von dem Transistor gebildeten Bypass, so dass die übrigen LEDs weiterarbeiten und Licht emittieren können.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung betrifft die Auswerteschaltung. Diese sollte gemäß Anspruch 7 eine der Zahl der LEDs bzw. Gruppen von LEDs einer LED-Serienschaltung gleiche Anzahl von MOSFETs aufweisen, wobei jeder MOSFET einer LED bzw. einer Gruppe von LEDs zugeordnet ist, wobei ferner alle MOSFETs in Serie geschaltet sind, und wobei schließlich das Gate jedes MOSFETs mit einem der Parameter-Abgriffselemente verbunden ist.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Auswerteschaltung sollte gemäß Anspruch 8 das Gate jedes MOSFETs mit dem zwischen dem Lastwiderstand und der Zenerdiode liegenden Verbindungspunkt des zugeordneten bipolaren Transistors verbunden sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Kurschlussfehlers in LED-Clusterschaltung, bei der mindestens zwei LEDs (LED1–LEDN) in Serie geschaltet sind. Zur Fehlererfassung an einem Punkt zwischen zwei LEDs wird von der Serienschaltung ein Strom abgezweigt, der eine Konstantstromquelle, insbesondere einen Transistor speist, wobei der Stromfluss durch die Konstantstromquelle zur Erfassung eines Kurzschlussausfalls einer oder mehrerer LEDs ausgewertet wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Auswerteschaltung kann darin bestehen, dass dies einen Logikschaltungsteil enthält, der erlaubt, festzustellen, welche LED bzw. welche Gruppe von LEDs defekt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur beschrieben.
Die Figur enthält eine LED-Clusterschaltung 1 mit den in Serie geschalteten LEDs LED1, LED2, LED3, LED4 ... und LEDN.
Eine Überwachungsschaltung 2 enthält eine die Anzahl der LEDs in der LED-Clusterschaltung 1 gleiche Anzahl von bipolaren Transistoren, nämlich Q1, Q2, Q3, Q4, ... QN. Bei diesen bipolaren Transistoren handelt es sich um pnp-Transistoren. Der Emitter jedes der bipolaren Transistoren ist mit der Anode einer LED der LED-Clusterschaltung 1 verbunden. Die Basis jedes Transistors ist über einen Strombegrenzungswiderstand mit der Katode der zugeordneten LED verbunden. Insgesamt enthält die Überwachungsschaltung 2 die Strombegrenzungswiderstände R1, R3, R5, R7, ... und R(2N – 1). Die Anode der LED1 liegt an einem positiven Spannungsversorgungspotential, die Katode der LEDN liegt an einem negativen Spannungsversorgungspotential.
Der Kollektor jeder der bipolaren Transistoren ist über die Serienschaltung aus einem Lastwiderstand und einer Zenerdiode mit dem negativen Spannungsversorgungspotential (Masse) verbunden. Zu jeder Zenerdiode ist ein Glättungskondensator parallel geschaltet. Insgesamt enthält die Überwachungsschaltung die Lastwiderstände R2, R4, R6, R8, ... und R(2N). Ferner enthält sie die Zenerdioden D1, D2, D3, D4 ... und DN sowie die Glättungskondensatoren C1, C2, C3, C4, ... CN.
Die Auswerteschaltung besteht aus einer Serienschaltung von MOSFETs. Jedem der bipolaren Transistoren der Überwachungsschaltung 2 ist ein MOSFET der Auswerteschaltung 3 zugeordnet. Insgesamt enthält die Auswerteschaltung 3 die MOSFETs MOS1, MOS2, MOS3, MOS4, ... und MOSN. Das Gate jedes MOSFETs ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Lastwiderstand und der Zenerdiode des zugeordneten bipolaren Transistors verbunden. So ist das Gate des MOSFETs MOS1 mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Lastwiderstand R2 und der Zenerdiode D1 des bipolaren Transistors Q1 verbunden usw.
Der Drain-Anschluss des MOSFETs MOS1 ist über einen Lastwiderstand R11 an das positive Spannungsversorgungspotential geführt. Der Gate-Anschluss des MOSFETs MOSN ist an das negative Spannungsversorgungspotential geführt. Festgestellte Fehler werden zwischen dem Drain-Anschluss des MOSFETs MOS1 und dem Lastwiderstand R11 ausgekoppelt.
Nachfolgend soll das Zusammenwirken der drei Schaltungsteile 1, 2, 3 beschrieben werden.
Wenn die LED-Clusterschaltung ordnungsgemäß arbeitet, so sind alle LEDs leitend und emittieren Licht. Die von den zugeordneten Transistoren und den Strombegrenzungswiderständen gebildeten Bypässe zu den LEDs zweigen geringe Ströme ab, die über die Lastwiderstände und die Zenerdioden fließen, mit der Folge, dass der Spannungsabfall über den Lastwiderständen an den Gate-Anschlüssen der MOSFETs liegt. Dadurch sind alle MOSFETs leitend und die Auswerteschaltung 3 signalisiert, dass kein Fehler vorliegt.
Wenn nun beispielsweise die LED2 einen Kurzschlussdefekt hat, so wird auch die Emitter-Basis-Strecke des zugeordneten Transistors Q2 kurzgeschlossen, mit der Folge, dass kein Strom mehr abgezweigt und durch den Lastwiderstand R4 fließt. Die Folge ist, dass der MOSTFET MOS2 sperrt, sodass durch die gesamte Serienschaltung von MOSFETs kein Strom mehr fließt. Die Auswerteschaltung 3 signalisiert einen Fehler. Ungeachtet dieses Fehlers fließt weiterhin Strom durch die übrigen LEDs, allerdings ist dieser Strom erhöht und kann im Extremfall zur Zerstörung der übrigen LEDs führen. Aus diesem Grunde ist es wichtig, festzustellen, ob ein solcher Fehler vorliegt, um ggf. einen Austausch der defekten LED vornehmen zu können.
Wenn nun die LED2 einen Unterbrechungsdefekt hat, so fließt ein verstärkter Strom durch den Bypass, der von der Emitter-Basis-Strecke des Transistors Q2 und dem Strombegrenzungswiderstand R3 gebildet ist. Dieser verstärkte Stromfluss durch den Bypass ersetzt den bisherigen Stromfluss durch die LED2 mit der Folge, dass die gesamte Kette weiter arbeiten und Licht emittieren kann. Daneben hat der verstärkte Stromfluss durch den Bypass aber auch zur Folge, dass der Kollektorstrom durch den Lastwiderstand R4 erhöht wird. Dadurch wird die Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem Lastwiderstand R4 und der Zenerdiode D2 positiver, mit der Folge, dass die Zenerdiode D2 durchbricht und leitend wird. Das Potential an dem genannten Verbindungspunkt wird dadurch negativ, wodurch der MOS2 gesperrt wird. Auch in diesem Fall gibt die Auswerteschaltung 3 ein entsprechendes Fehlersignal.
Die dem Gate des MOSFET2 zugeführte Spannung ist in den beiden vorstehend beschriebenen Fehlerfällen unterschiedlich. In der einzigen Figur ist die Auswerteschaltung 3 als einfache Serienschaltung der MOSFETs dargestellt. Es versteht sich aber, dass durch eine entsprechend empfindliche Auswertung der entsprechenden Gate-Spannungen bei unterschiedlichen Fehlern (Kurzschluss oder Unterbrechung) eine Unterscheidung der Fehler möglich ist. Mit anderen Worten bei entsprechender Ausgestaltung der Auswerteschaltung 3 kann – insbesondere wenn noch ein entsprechender Logikschaltungsteil vorgesehen wird – festgestellt werden, welche LED fehlerhaft ist und welcher Art der Fehler ist. Auf Grund dieser Informationen kann dann selektiv ein Wechsel der defekten LEDs oder Gruppe von LEDs vorgenommen werden.
Abschließend sei noch bemerkt, dass der Abzweigstrom in den bipolaren Transistoren äußerst gering und im μA-Bereich liegt. Der beeinflusst daher den Wirkungsgrad der LED-Clusterschaltung kaum.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2008/0204029 A1 [0002, 0005]

Claims

LED-Clusterschaltung (1) mit Fehlerdetektion, bei der mindestens zwei LEDs (LED1–LEDN) in Serie geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fehlererfassung an einem Punkt zwischen zwei LEDs ein Strom abgezweigt wird, der eine Konstantstromquelle, insbesondere einen Transistor speist, wobei der Stromfluss durch die Konstantstromquelle zur Erfassung eines Kurzschlussausfalls einer oder mehrerer LEDs ausgewertet wird.
LED-Clusterschaltung (1) mit Fehlerdetektion, bei der mindestens zwei LEDs (LED1–LEDN) oder mindestens zwei Gruppen von LEDs in Serie geschaltet sind, mit einer Parameter-Abgriffselemente enthaltenden Überwachungsschaltung (2) und mit einer mit der Überwachungsschaltung (2) verbundenen Auswerteschaltung (3), dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mindestens zwei in Serie geschalteten LEDs (LED1–LEDN) oder jeder mindestens zwei in Serie geschalteten Gruppen von LEDs ein Parameter-Abgriffselement zugeordnet ist, und dass jedes Parameter-Abgriffselement mit der ihm zugeordneten LED (LED1–LEDN) oder Gruppe von LEDs verbunden ist.
LED-Clusterschaltung nach Anspruch 2, bei der jedes Parameter-Abgriffselement von einem vorzugsweise bipolaren Transistor (Q1–QN) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter-Basisstrecke jedes Transistors (Q1–QN) zu der zugeordneten LED (LED1–LEDN) oder Gruppe von LEDs parallel geschaltet ist, derart, dass der Emitter bei Verwendung von pnp-Transistoren mit der/den Anode/n und bei Verwendung von npn-Transistoren mit der/den Katode/n der zugeordneten LED (LED1–LEDN) bzw. der zugeordneten Gruppe von LEDs verbunden ist.
LED-Clusterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Basis jedes bipolaren Transistors (Q1–QN) und die zugeordnete LED (LED1–LEDN) bzw. Gruppe von LEDs ein Strombegrenzungswiderstand (R1–R2N – 1) eingefügt ist.
LED-Clusterschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor jedes bipolaren Transistors (Q1–QN) über eine Serienschaltung aus einem Lastwiderstand (R2–R2N) und einer Zenerdiode (D1–DN) an den entsprechenden Stromversorgungsanschluss geführt ist, und dass bei jedem bipolaren Transistor (Q1–QN) der Verbindungspunkt zwischen dem Lastwiderstand (R2–R2N) und der Zenerdiode (D1–DN) mit der Auswerteschaltung (3) verbunden ist.
LED-Clusterschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Zenerdiode (D1–DN) ein Glättungskondensator (C1–CN) parallel geschaltet ist.
LED-Clusterschaltung nach einem der vorher stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Auswerteschaltung (3) eine der Zahl den LEDs (LED1–LEDN) bzw. Gruppen von LEDs einer LED-Serienschaltung gleiche Anzahl von MOSFETs (MOS1–MOSN) aufweist, dass jeder MOSFET (MOS1–MOSN) einer LED (LED1–LEDN) bzw. Gruppe von LEDs zugeordnet ist, dass alle MOSFETs in Serie geschaltet sind, und dass das Gate jedes MOSFETs (MOS1–MOSN) mit einem der Parameter-Abgriffselemente verbunden ist.
LED-Clusterschaltung nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gate jedes MOSTETs (MOS1–MOSN) mit dem zwischen dem Lastwiderstand (R2–R2N) und der Zenerdiode (D1–DN) liegenden Verbindungspunkt des zugeordneten bipolaren Transistors (Q1–QN) verbunden ist.
LED-Clusterschaltung nach einem der vorher stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (3) einen Logikschaltungsteil enthält, der erlaubt festzustellen, welche LED (LED1–LEDN) bzw. welche Gruppe von LEDs defekt ist.
LED-Leuchte, aufweisend eine oder mehrere Schaltungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Beleuchtungssystem, aufweisend mehrere Leuchten, darunter wenigstens eine nach Anspruch 10, wobei die Leuchten untereinander und/oder mit einer zentralen Steuereinheit zumindest signaltechnisch verbunden sind.
Verfahren zur Erfassung eines Kurschlussfehlers in LED-Clusterschaltung, bei der mindestens zwei LEDs (LED1–LEDN) in Serie geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fehlererfassung an einem Punkt zwischen zwei LEDs ein Strom abgezweigt wird, der eine Konstantstromquelle, insbesondere einen Transistor speist, wobei der Stromfluss durch die Konstantstromquelle zur Erfassung eines Kurzschlussausfalls einer oder mehrerer LEDs ausgewertet wird.