DE102010015908A1

DE102010015908A1 - Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Last

Info

Publication number: DE102010015908A1
Application number: DE201010015908
Authority: DE
Inventors: Klaus Dieter Grebner; Michael Reier
Original assignee: Lear Corp GmbH
Current assignee: Lear Corp GmbH
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-11
Also published as: US8994278B2; US20120139428A1; DE102010015908B4

Abstract

Die erfinderische Vorrichtung dient zur Ansteuerung einer elektrischen Last. Die elektrische Last bestehend aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Einzellasten. Jeder der mindestens zwei Einzellasten ist jeweils ein steuerbarer Schalter parallel geschaltet, so dass jede der mindestens zwei Einzellasten unabhängig voneinander schaltbar ist. Außerdem ist eine Treiberstufe vorhanden, die einen Strom in die elektrische Last treibt. Die steuerbaren Schalter sind von der Steuereinheit ansteuerbar. In Reihe zu den mindestens zwei Einzellasten ist eine Dummylast geschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Last. Bei der angesteuerten elektrischen Last handelt es sich insbesondere um eine Anordnung von Leuchtdioden, im Weiteren mit LEDs bezeichnet, wobei die elektrische Last mit einem nahezu konstanten Betriebsstrom zu versorgen ist.
Zur Ansteuerung einer elektrischen Last, insbesondere von LEDs, LED-Ketten und/oder LED-Arrays, werden vorrangig Konstantstromquellen verwendet. Es sind diverse Anordnungen von LEDs bekannt. Neben der parallelen Anordnung oder Matrixverschaltung von LEDs ist auch die Möglichkeit der Reihenschaltung von LEDs bekannt. Bei der Reihenschaltung von LEDs werden alle LEDs in Reihe nacheinander geschaltet; diese Verschaltung wird auch als LED-Kette bezeichnet. Um diese LED-Ketten zu betreiben, wird ein konstanter Strom erzeugt und durch die LEDs geleitet. Es stellt sich dann eine Spannung über den LEDs ein, die der Summe der Flussspannungen aller LEDs entspricht.
Um eine konstante Lichtausbeute zu erreichen, muss der Strom, der durch die LEDs fließt, temperaturabhängig geregelt werden und nahezu konstant sein. Dies erfolgt in bekannter Weise mittels einer Pulsweitenmodulation des zugeführten Stromes. Mittels einer Pulsweitenmodulation wird dieser modulierte Strom dann zur Helligkeitssteuerung der LED-Kette eingesetzt. Die Energieversorgung der LEDs erfolgt beispielsweise mittels eines sogenannten Aufwärtswandlers.
Aus DE 20 2007 011 973 U1 ist eine LED-Clusteranordnung bekannt, welche mit Konstantstrom versorgt wird. Die LED-Clusteranordnung wird über eine Pulsweitenmodulation angesteuert.
Aus DE 2006 059 355 A1 ist eine Ansteuereinrichtung in einem Verfahren zum Betrieb einer Reihenschaltung von Leuchtdioden offenbart.
Aus DE 10 2005 058 484 A1 sind eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betrieb mindestens einer LED offenbart.
Insbesondere bei Schaltvorgängen in LED-Ketten, so beim Ein- und/oder Ausschalten von einzelnen, in Reihe geschalteten LEDs, treten Spannungs- und Stromveränderungen auf, die die Energieversorgungseinheit belasten. Aufgrund der U/I-Kennlinie einer Leuchtdiode ergibt sich die Flussspannung, die an der LED bei entsprechendem Strom abfällt. Somit ist für den Betrieb zunächst eine bestimmte Mindestspannung notwendig. Bis diese erreicht wird, ist der LED-Strom nahezu vernachlässigbar, der Lichtaustritt aber gleich Null oder nahezu Null.
Sollen in der Reihenschaltung einzelne LEDs in ihrer Helligkeit beeinflusst werden, so erfolgt dies durch eine Überbrückung der LEDs mittels eines parallel zu jeder LED oder zu einer LED-Gruppe angeordneten Schalters. Der Schalter ist dabei zweckmäßiger Weise in Form eines Halbleiterschalters ausgeführt. Der Strom fließt dann durch die LEDs, deren paralleler Schalter geöffnet ist bzw. durch die geschlossenen Schalter. Mit diesem Schaltungsprinzip lassen sich LEDs beliebig ein- und ausschalten.
Solange die Anzahl der LEDs konstant bleibt, d. h. solange die Anzahl der angeschalteten LEDs sich bei einem Umschaltvorgang nicht verändert, bleibt die Ausgangsspannung, welche von der Spannungsversorgungseinheit bereitgestellt werden muss, unverändert. Hingegen stellt die Änderung der gleichzeitig angesteuerten LEDs ein Problem dar, da sich die zum Betrieb der neuen LED Anzahl notwendige Ausgangsspannung ändert und damit der LED-Strom zusammenbricht. Soll nunmehr bei betriebenen oder bereits leuchtenden LEDs eine LED zu- oder abgeschaltet werden, so tritt eine erhebliche Spannungsspitze und eine Stromänderung auf. Beim Einschalten einer LED erfolgt daher zunächst ein Stromeinbruch aufgrund der fehlenden Ausgangsspannung und danach eine Spannungsspitze aufgrund des Regelverhaltens. Dies führt dazu, dass die bereits angeschalteten und leuchtenden LEDs zunächst dunkel werden und flackern. Dies soll durch eine geeignete Ansteuerung vermieden werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, die diese Problematik umgeht.
Die vorliegende Aufgabe wird anhand der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der abhängigen Patentansprüche sowie von konkreten Ausführungsbeispielen anhand von Figuren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Ansteuerung einer elektrischen Last. Die elektrische Last besteht aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Einzellasten. Jeder der mindestens zwei Einzellasten ist jeweils ein steuerbarer Schalter parallel geschaltet, so dass jede der mindestens zwei Einzellasten unabhängig voneinander schaltbar ist. Außerdem ist eine Treiberstufe vorhanden, die einen Strom in die elektrische Last treibt. Die steuerbaren Schalter sind von der Steuereinheit ansteuerbar.
In Reihe zu den mindestens zwei Einzellasten ist eine Dummylast geschaltet. Der in die Last getriebene Strom wird weitgehend konstant gehalten. Mittels der Dummylast werden Lastsprünge, die beim Einschalten oder Ausschalten einer der Einzellasten in Form einer Spannungsspitze und eines Stromeinbruches auftreten, weitgehend kompensiert. Hierzu wird die Dummylast verwendet, die zu dem Zeitpunkt zugeschaltet wird, wenn eine Einzellast abgeschaltet wird und abgeschaltet wird, wenn eine Einzellast zugeschaltet wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 2 ist vorgesehen, dass der elektrische Widerstandwert der Dummylast dem elektrischen Widerstandwert einer der mindestens zwei Einzellasten entspricht oder der elektrische Widerstandwert der Dummylast einem ganzzahligen Vielfachen oder einem Bruchteil des elektrischen Widerstandwertes einer der mindestens zwei Einzellasten entspricht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 3 ist vorgesehen, dass die Dummylast so bemessen ist, dass die Dummylast bei einem Nennstrom dieselbe elektrische Größe annimmt, welche dem Betriebsspannungsabfall über einer der mindestens zwei Einzellasten oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 4 ist vorgesehen, dass die Dummylast eine statische Dummylast ist und eine feste elektrische Größe aufweist, zu welcher ein steuerbarer Schalter, ansteuerbar durch die Steuereinheit, parallel geschaltet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 5 ist vorgesehen, dass die Dummylast eine dynamische Dummylast in Form einer veränderbaren elektrischen Größe ist und (die Dummylast) mittels der Steuereinheit in ihrer elektrischen Größe veränderbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 6 ist vorgesehen, dass die elektrische Größe der elektrische Widerstandwert ist.
Vorteilhaft nach Patentanspruch 7 ist, dass die Steuereinheit den steuerbaren Schalter der Dummylast schließt, wenn sie einen der steuerbaren Schalter der mindestens zwei Einzellasten öffnet und/oder die Steuereinheit den steuerbaren Schalter der Dummylast öffnet, wenn sie einen der steuerbaren Schalter der mindestens zwei Einzellasten schließt.
Durch das wechselseitige öffnen und Schließen der steuerbaren Schalter werden bei der Zu- und Abschaltung einer der Einzellasten die hierdurch entstehenden Lastsprünge in Form von Spannungsspitzen bzw. Stromeinbrüche mittels der Dummylast kompensiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 8 ist vorgesehen, dass die Steuereinheit das Schließen oder öffnen des steuerbaren Schalters der Dummylast zeitgleich zum öffnen oder Schließen eines der steuerbaren Schalter der mindestens zwei Einzellasten vornimmt.
Vorteilhaft gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 9 ist, dass die Steuereinheit beim Schließen oder öffnen mindestens eines der steuerbaren Schalter der mindestens zwei Einzellasten die dynamische Dummylast auf denjenigen elektrischen Widerstandwert einstellt, der dem elektrischen Widerstandwert entspricht, den diejenige der mindestens zwei Einzellasten im Betriebszustand hat, deren zugehöriger steuerbarer Schalter von der Steuereinheit geschlossen oder geöffnet wird. Beim öffnen und Schließen der steuerbaren Schalter und dem damit verbundenen Zu- und Abschalten von Einzellasten werden die hierdurch entstehenden Spannungsspitzen bzw. Stromeinbrüche mittels der Dummylast kompensiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 10 ist vorgesehen, dass die Steuereinheit das erstmalige Einschalten und das gesamte Ausschalten der mindestens zwei Einzellasten einzeln, zeitlich nacheinander oder gemeinsam oder in Gruppen vornimmt.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 11 ist bevorzugt, dass die Steuereinheit an einem Strommesspunkt mittels einer Strommesseinheit den in die elektrische Last fließenden elektrischen Strom überwacht und mittels eines Ist/Soll-Vergleiches auf einen einstellbaren Sollwert mittels der Treiberstufe regelt, so dass ein möglichst konstanter Strom in die elektrische Last fließt.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 12 ist bevorzugt, dass eine Einzellast eine Leuchtdiode oder ein Dioden-Array, bestehend aus mindestens zwei parallel geschalteten und/oder in Reihe geschalteten und/oder matrixverschalteten Leuchtdioden, ist.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 13 ist bevorzugt, dass die Steuereinheit eine Mikroprozessoreinheit oder eine Mikrocomputereinheit oder Mikrocontrollereinheit oder eine mikroelektronische Einheit mit einer konstanten Betriebsspannung ist.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 14 ist bevorzugt, dass die statische Dummylast eine weitere Einzellast oder eine Diode oder eine Leuchtdiode oder ein Bipolartransistor in Form eines npn-Transistors oder eines pnp-Transistors oder ein Feldeffekttransistor oder eine Steuerschaltung oder eine Kombination eines Bipolartransistors oder eines Feldeffekttransistors mit einer zugeordneten Steuerschaltung oder ein elektrischer Widerstand ist.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 15 ist bevorzugt, dass die dynamische Dummylast ein Bipolartransistor, in Form eines npn-Transistors oder eines pnp-Transistors, oder ein Feldeffekttransistor oder eine Steuerschaltung oder eine Kombination eines Bipolartransistors oder eines Feldeffekttransistors mit einer zugeordneten Steuerschaltung oder ein in seinem elektrischen Widerstandwert veränderbarer elektrischer Widerstand ist.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 16 ist bevorzugt, dass die dynamische Dummylast mittels eines Pulsweitenmodulationssignals ansteuerbar ist und/oder dass das Pulsweitenmodulationssignal von einem Port der Steuereinheit erzeugbar ist. Der elektrische Widerstandwert, den die elektrische Dummylast annimmt, ist über dieses Signal veränderbar.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 17 ist bevorzugt, dass die dynamische Dummylast mittels eines Analogsignals ansteuerbar ist und/oder dass das Analogsignal von einem Port der Steuereinheit erzeugbar ist. Der elektrische Widerstandwert, den die elektrische Dummylast annimmt, ist über dieses Signal veränderbar.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 18 ist bevorzugt, dass der Bipolartransistor und/oder der Feldeffekttransistor mittels des Pulsweitenmodulationssignals, das über ein RC-Glied einem Operationsverstärker zuführbar ist, in seinem elektrisch wirkenden Widerstandwert veränderbar ist, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers im Falle des Bipolartransistors über einen zweiten Widerstand auf die Basis des Bipolartransistors und im Fall des Feldeffekttransistors auf das Gate des Feldeffekttransistors geführt ist.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 19 ist bevorzugt, dass der Bipolartransistor und/oder der Feldeffekttransistor von dem analogen Steuersignal, das einem Operationsverstärker zuführbar ist, in seinem elektrisch wirkenden Widerstandwert veränderbar ist, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers, im Falle des Bipolartransistors über einen zweiten Widerstand auf die Basis des Bipolartransistors und im Fall des Feldeffekttransistors auf das Gate geführt ist.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 20 ist bevorzugt, dass der Bipolartransistor in Kollektorschaltung geschaltet und der Feldeffekttransistor als n-Kanal-Feldeffekttransistor ausgeführt ist.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 21 ist bevorzugt, dass die dynamische Dummylast flexibel an unterschiedliche elektrische Lasten anpassbar ist, und elektrische Lasten mit unterschiedlichen Spannungsabfällen kombinierbar sind.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 22 ist bevorzugt, dass die Steuereinheit die dynamische Dummylast zeitversetzt vor dem Zuschalten einer oder mehrerer Einzellasten aktiviert um einen sprunghaften Spannungsanstieg zu vermeiden.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 23 ist bevorzugt, dass sich die Dummylast nicht nur zum Ausgleich des Spannungsanstiegs sondern auch zum Reduzieren der Ausgangsspannung nach dem Abschalten einer oder mehrerer Einzellasten oder Lasten mit unterschiedlichem Spannungsabfall eignet.
Nach der Ausführungsform des Patentanspruches 24 ist bevorzugt, dass der Spannungsabfall an der dynamischen Dummylast linear änderbar und/oder veränderbar oder dass der Spannungsabfall an der dynamischen Dummylast nichtlinear in Form einer S-Kurve, exponentiell, logarithmisch oder treppenartig änderbar und/oder veränderbar ist.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels anhand der 1–13 näher beschrieben. Diese Beschreibung der Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele stellt keine Limitierung der Erfindung auf eines der Ausführungsbeispiele dar.
Es zeigen:
1 ein bekanntes Schaltungsprinzip für LEDs;
2 ein Ansteuerprinzip ohne Lastsprung;
3 den Strom- und Spannungsverlauf ohne Lastsprung;
4 ein Ansteuerprinzip mit Lastsprung;
5 ein Einschwingverhalten beim Zuschalten einer Einzellast;
6 eine Schaltungsanordnung mit einer statischen Dummylast;
7 Signalverläufe mit einer statischen Dummylast;
8 eine Schaltungsanordnung mit einer dynamischen Dummylast;
9 Signalverläufe mit dynamischen Dummylast;
10 weitere Signalverläufe mit dynamischen Dummylast;
11 Signalverläufe mit dynamischen Dummylast über einen längeren Zeitraum;
12 ein Ausführungsbeispiel einer dynamischen Dummylast;
13 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer dynamischen Dummylast;
14 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer dynamischen Dummylast;
15 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer dynamischen Dummylast.
Bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird figurenübergreifend für identische Elemente in den Figuren jeweils bei allen Figuren das selbe Bezugszeichen verwendet. Dies dient der Übersichtlichkeit und besseren Verständlichkeit der weiteren konkreten Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 15.
In 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leuchtdioden aufgezeigt. Es ist eine elektrische Last 1 dargestellt. Die elektrische Last 1 besteht aus den Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 bis LEDn. Diese Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 bis LEDn sind in Reihe geschaltet. Jede der Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 bis LEDn stellt mindestens eine Leuchtdiode dar.
Leuchtdioden, insbesondere solche mit hoher Leistung, werden zumeist in Reihe geschaltet, in Reihe geschaltet betrieben und mit einem konstanten Strom versorgt. Die Stromversorgung erfolgt über eine Treiberstufe 3. Diese Treiberstufe 3 ist zumeist als Konstantstromquelle, vorzugsweise in Form eines Schaltreglers oder eines DC/DC-Wandlers mit einem Konstantstromausgang ausgeführt.
Unter Berücksichtigung der U/I-Kennlinie einer Leuchtdiode ergibt sich die Flussspannung, die an der Leuchtdiode bei entsprechendem Strom abfällt. Somit ist für den Betrieb einer Leuchtdiode zunächst eine bestimmte Mindestspannung notwendig. Diese Mindestspannung ist bei in Reihe geschalteten Leuchtdioden abhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten Einzellasten LED1 bis LEDn. Bis diese Mindestspannung erreicht wird, ist der Strom I_out, der durch die Einzellasten LED1 bis LEDn fließt, nahezu vernachlässigbar, der Lichtaustritt aus den Einzellasten LED1 bis LEDn ist aber nahezu Null. Sollen die in Reihenschaltung angeordneten einzelnen Einzellasten LED1 bis LEDn in ihrer Helligkeit d. h. in ihrer Helligkeitsabgabe beeinflusst werden, so ist eine der Einzellasten LED1 bis LEDn der elektrischen Last 1 zu überbrücken. Die Überbrückung erfolgt in der Weise, dass jeder der Einzellasten LED1 bis LEDn jeweils ein Schalter S1 bis Sn parallel geschaltet ist. Beim Schließen des jeweils der Einzelllast LED1 bis LEDn zugeordneten Schalters S1 bis Sn wird die entsprechende Einzellast LED1 bis LEDn überbrückt. Mittels dieser Schalter S1 bis Sn, es handelt sich vorzugsweise um steuerbare und/oder elektronische Schalter, ist jede der Einzellasten LED1 bis LEDn singulär überbrückbar, d. h. jede Einzellast LED1 bis LEDn kann individuell an- und abgeschaltet werden. Hierzu sind die Schalter S1 bis Sn als elektronische Schalter ausgestaltet, welche von der Steuereinheit 2 schaltbar sind. Bei den elektronischen Schaltern S1 bis Sn handelt es sich in vorzugsweiser Ausgestaltung um Feldeffekttransistoren bzw. Treiberstufen, welche über die Steuereinheit 2 steuerbar und schaltbar sind.
Die Steuereinheit 2 wird mit einer Versorgungsspannung Uv versorgt. Im Weiteren steuert die Steuereinheit 2 eine Treiberstufe 3 an. Der Ausgangsstrom I_out der Treiberstufe 3 ist von der Steuereinheit 2 regelbar. Die Steuereinheit 2 überwacht hierzu über einen Strommesspunkt 4, an dem eine Strommesseinheit angeschlossen ist, den durch die elektrische Last 1 fließenden Strom I_out. Diesen versucht die Steuereinheit 2 durch Regelung über die Treiberstufe 3 nahezu konstant zu halten. Die Treiberstufe 3 wird über eine Versorgungsspannung U_in versorgt.
Mit dem in 1 dargestellten Schaltungsprinzip lassen sich beliebig viele Einzellasten LED1 bis LEDn unabhängig voneinander ein- und ausschalten. Solange die Anzahl der in Betrieb befindlichen Einzellasten LED1 bis LEDn konstant bleibt, d. h. solange die Anzahl der eingeschalteten Einzellasten LED1 bis LEDn konstant ist, bleibt die Ausgangsspannung U_out und der Ausgangsstrom I_out der Treiberstufe 3 konstant. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung steuert die Steuereinheit 2 die Treiberstufe 3 mittels eines pulsweitenmodulierten Signals Ua an.
Probleme beim Betrieb treten allerdings auf, wenn eine Änderung der angeschalteten Einzellasten LED1 bis LEDn vorgenommen wird, da sich dann die Ausgangsspannung U_out der Treiberstufe 3 ändert und damit der Ausgangsstrom I_out, der durch die dann noch angeschalteten Einzellasten LED1 bis LEDn zu treiben ist, nahezu zusammenbricht. Diese Problematik tritt vor allem dann auf, wenn eine weitere der in Reihe geschalteten Einzellasten LED1 bis LEDn zusätzlich angeschaltet wird. Es kommt dann beim Einschalten dieser weiteren Einzellast LED1 bis LEDn zu einem Lastsprung. Speziell die Forderung nach einer hohen Konstanz des Lichtstromes, der direkt proportional zum LED-Strom ist, ist problematisch, da insbesondere bei kleiner Einschaltdauer, d. h. kleinen Lichtströmen, sich diese Einbrüche deutlich bemerkbar machen.
Um nunmehr diese Einbrüche zu vermeiden, ist vorgesehen, zeitgleich mit dem Abschalten einer der Einzellasten LED1 bis LEDn eine andere Einzellast LED1 bis LEDn zuzuschalten und umgekehrt.
Beim erstmaligen Inbetriebnehmen der Anordnung bzw. beim erstmaligen Einschalten oder Ausschalten der gesamten elektrischen Einheit schaltet die Steuereinheit 2 die Einzellasten LED1 bis LEDn der elektrischen Last 1 einzeln nacheinander oder in Gruppen oder alle gemeinsam ein.
Ein solches Ansteuerprinzip mit Vermeidung eines Lastsprungs ist in 2 dargestellt.
In 2 sind über ein Zeitintervall 0 bis T übereinander vier Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4, welche z. B. die elektrische Last 1 der 1 repräsentieren, und der jeweilige Schaltzustand der Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 eingeschaltet „ein” und ausgeschaltet „aus” schematisch dargestellt. Dieses Prinzip kann aber nur mit einer Anzahl von Einzellasten LED1 bis LEDn aus 1 erfolgen, deren prozentuale Einschaltdauern sich zu einem ganzzahligen Vielfachen von 100% ergänzen. In 2 sind daher vier Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 dargestellt. Die Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 werden zu unterschiedlichen Zeiten ein- und ausgeschaltet. Es wird aber immer zeitgleich mit dem Einschalten einer der Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 eine andere Einzellast LED1, LED2, LED3, LED4 ausgeschaltet. Zum Zeitpunkt 0 wird die Einzellast LED2 eingeschaltet, die Einzellast LED1 wird ausgeschaltet. Die Einzellast LED4 wird eingeschaltet und die Einzellast LED 3 wird ausgeschaltet. Durch das gleichzeitige Zu- und Abschalten jeweils einer Einzellast LED1, LED2, LED3, LED4 wird ein Lastsprung vermieden. Der durch das Einschalten der Einzellast LED2, LED4 entstehende Lastsprung wird durch das Abschalten der Einzellasten LED1, LED3 kompensiert. Durch das konträre paarweise Zu- und Abschalten von Einzellasten werden die sonst auftretenden Lastsprünge vermieden. Zu einem späteren Zeitpunkt t1 wird die Einzellast LED2 wieder abgeschaltet. Es wird aber dann zeitgleich die Einzellast LED1 eingeschaltet. Es wird in diesem Fall ebenfalls ein Lastsprung vermieden. Um nunmehr ebenfalls einen Lastsprung zu vermeiden, wenn zu einem späteren Zeitpunkt t2 die Einzellast LED4 ausgeschaltet werden soll, wird zeitgleich die Einzellast LED3 eingeschaltet.
In der Ausführung mit dem Ansteuerprinzip nach 2 werden die einzelnen Einzellasten LED1 bis LED4 mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert. Wesentlich ist aber, dass in einem Ansteuerintervall, in 2 als der Zeitraum zwischen 0 und T dargestellt, jeweils zwei Einzellasten LED1, LED2 und LED3, LED4 alternierend angesteuert werden, so dass ein Lastsprung vermieden wird. Dieses Ansteuerprinzip erlaubt den flexiblen Betrieb der Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4 mit einer nahezu konstanten elektrischen Spannung. Die Treiberstufe 3 aus 1 kann dann für eine maximale Ausgangsspannung von U_out, die kleiner ist als die Summe der Einzelspannungsabfälle über die Einzellasten LED1 bis LEDn, welche gemeinsam eingeschaltet sein dürfen, ausgelegt sein. Es muss aber vorausgesetzt werden, dass die Summe der Einschaltzeiten aller während einer Periodendauer einzuschaltenden Einzellasten ein bestimmtes Maximum nicht überschreitet.
Es ergibt sich eine Problematik, wenn die Summe der Einschaltzeiten aller während einer Periodendauer einzuschaltenden Einzellasten kein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer ist. In der Ausführung gemäß 2 füllen die Einschaltzeiten der Einzellasten LED1 und LED2 bzw. LED3 und LED4 jeweils die gesamte Periodendauer aus. Der Sollstrom bleibt damit konstant.
In 3 ist die elektrische Spannung, welche über der elektrischen Last 1 und somit über den Einzellasten LED1 bis LED4 aus 2 abfällt, als Spannungswert U_out über die Periodendauer 0–T dargestellt. Die Spannung U_out in 3, die von der Treiberstufe 3 bereitgestellt wird, entspricht dem Spannungsabfall über den angeschalteten Einzellasten LED1 bis LED4. In 3 ist oberhalb der Spannung U_out der Verlauf des Stromes I_out, der durch die elektrische Last 1 während der Periodendauer 0–T fließt, dargestellt. Da in 2 über die gesamte Periodendauer 0–T jeweils zwei Einzellasten eingeschaltet sind, beträgt die Spannung U_out die Summe der zwei Teilspannungen, die jeweils über einer der Einzellasten LED1, LED21, LED3 und LED4 abfallen. Der Strom I_out, der durch die elektrische Last 1 fließt, ist ebenfalls konstant. Durch das zeitgleiche Zu- und Abschalten von zwei Einzellasten wird ein Lastsprung, verbunden mit einem Spannungsanstieg und einem Stromeinbruch, vermieden. Die Treiberstufe 3 muss kaum nachregeln. Im Falle der Ansteuerung von Leuchtdioden als Einzellasten LED1 bis LED4 wird ein Flackern vermieden. Es ist in 3 dargestellt, dass bei den Einschaltpunkten t1, t2 keine Veränderung des Sollstromes I_soll und der elektrischen Spannung U_out eintritt.
In 4 sind über ein Zeitintervall 0 bis T übereinander fünf Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4, LED5, welche die elektrische Last 1 der 1 repräsentieren, und der jeweilige Schaltzustand der Einzellasten LED1, LED2, LED3, LED4, LED5, eingeschaltet „ein” und ausgeschaltet „aus”, schematisch dargestellt. Gegenüber der Ausführung in 2 ergibt die Summe der prozentualen Einschaltdauern der Leuchtdioden LED1 bis LED5 kein ganzzahliges Vielfaches von 100%. Es tritt nunmehr das Problem eines Lastsprunges auf, wenn eine weitere Einzellast, nämlich die Einzellast LED5 an- oder abgeschaltet werden soll, zu welcher keine andere Einzellast konträr schaltbar ist. Soll nun die Einzellast LED5 zugeschaltet werden, z. B. zum Zeitpunkt t3, so tritt ein Problem durch einen Lastsprung auf. In 4 ist dies dargestellt. Die Einzellasten LED1 bis LED4 werden analog zur Ausführung in 2 zu- und abgeschaltet, ohne Lastsprung. Die Auswirkung auf den Spannungs- und Stromverlauf der Zuschaltung der Einzellast LED5 ist in 5 dargestellt.
In 5 sind die Spannung U_out sowie der Strom I_out über die Zeit dargestellt. Wie nunmehr gut ersichtlich ist, bricht der Strom I_soll zum Zeitpunkt t3, demjenigen Zeitpunkt, bei dem die Einzellast LED5 eingeschaltet wird, zunächst ein. Die Spannung U_out steigt um mehr als eine LED Flussspannung an und pegelt sich dann auf den neuen Spannungswert ein. Auch der Strom I_out pegelt sich in einem gewissen Zeitraum auf den Sollwert I_soll wieder ein. Wird die Einzellast LED5 für die Zeit T – t3 mit 0 < t3 < T eingeschaltet, entsteht ein Lastsprung. Die Ausgangsspannung U_out der Treiberstufe 3 teilt sich nun auf die aktiven Einzellasten LED1, LED3, LED5 auf. Da die an den einzelnen aktiven Einzellasten LED1, LED3, LED5 anliegende Spannung U_out gefallen ist, fließt entsprechend der U/I-Kennlinie ein geringerer Strom I_out durch die aktiven Einzellasten LED1, LED3, LED5. Es wird nun durch die Steuereinheit 2 der Strom I_out wieder auf Sollniveau ausgeregelt, die Ausgangsspannung U_out steigt an, bis sich der Sollstrom wieder einstellt. Das Ausregeln auf den neuen Spannungswert erfolgt abhängig von der technischen Auslegung der Treiberstufe 3, mehr oder weniger schnell, mit entsprechendem Einschwingverhalten. Hierdurch entsteht ein Flackern beim Einsatz von Leuchtdioden als Einzellasten LED1 bis LED5.
Wesentlich ist aber, dass der Einbruch des Stroms I_out hierbei nicht nur eine, sondern alle zu diesem Zeitpunkt angesteuerten und aktiven Einzellasten LED1, LED4, LED5 betrifft. Der Effekt ist umso stärker zu beobachten, je weniger Einzellasten gleichzeitig angesteuert sind. Wird z. B. bei einem Betrieb von zehn Einzellasten, welche in Form von zehn Leuchtdioden ausgestaltet sind, was dann einer Spannung bei zehn Einzellasten von zehn mal 2,5 V einer Gesamtspannung von 25 V entspricht, eine weitere Einzellast zugeschaltet, sodass anschließend elf Einzellasten eingeschaltet sind, verteilt sich beim Einschalten der elften Einzellast die anstehende Spannung von 25 V zunächst in gleichen Teilen auf alle elf Einzellasten, sodass an jeder Einzellast dann die Spannung auf 2,27 V abfällt. Entsprechend der U/I-Kennlinie reduziert sich der dann durch jede der Einzellasten fließende Strom.
Betrachtet man dieses Szenario mit einer Änderung von einer auf zwei Einzellasten, so liegen dann lediglich 1,25 V an jeder Einzellast an, was faktisch einer Unterbrechung des Stromes gleichkommt. Die Leuchtdioden sind dann zunächst dunkel, für einen Nutzer quasi ausgeschaltet.
Da jede Änderung des Stromes durch die Einzellasten beim Einsatz von Leuchtdioden mit einer entsprechenden Helligkeitsänderung einhergeht, bedeutet der Einschwingvorgang ein Abweichen von der Sollhelligkeit. Dieser Effekt kommt umso stärker zum Tragen, je kleiner die Einschaltdauer der im Einschwingbereich, Zeitintervall t3 bis t3 + Treg, eingeschalteten LEDs ist, wobei Treg die Dauer der Ausregelung auf die neue Sollspannung ist.
Die Helligkeitsänderung macht sich als deutliches Flackern bemerkbar, wenn sich die Schaltzeitpunkte innerhalb des Einschwingbereichs, z. B. durch das Einschalten von zusätzlichen Leuchtdioden oder das Ändern der Einschaltdauer der Leuchtdioden, verschieben.
Dieses Problem wird nunmehr gemäß der Ausführungsform in 6 behoben. Es wird eine Dummylast DL in Reihe mit den Einzellasten LED1 bis LEDn der elektrischen Last 1 geschaltet. Die Ausführung der Vorrichtung gemäß 6 ist bis auf die Dummylast DL und den zu dieser parallel geschalteten steuerbaren Schalter DS, sowie dessen Ansteuerung durch die Steuereinheit 2, zur Schaltungsanordnung in 1 identisch. Daher wird auf die Ausführungen zu 1 verwiesen. Die Dummylast DL wird wiederum über den elektronischen steuerbaren Schalter DS geschaltet. Die Dummylast DL wird nun in der Weise angesteuert, dass in der Zeit 0 bis T keine Laständerung auftritt. Dazu wird der Spannungsabfall UD über der Dummylast DL genau so bemessen, dass er bei Nennstrom dieselbe Größe annimmt wie der Spannungsabfall über einer der Einzellasten LED1 bis LEDn. So wirkt die Dummylast DL dem Lastsprung beim Einschalten oder Ausschalten einer Einzellast entgegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Einschaltzeit der Dummylast DL derart bestimmt, dass sie die gesamte Einschaltdauer aller Einzellasten LED1 bis LEDn auf ein ganzzahliges Vielfaches von T, d. h. der Periodendauer, ergänzt.
In 7 sind die Zustände von fünf Einzellasten LED1 bis LED5 dargestellt, analog zu 4. Es ist aber zusätzlich die Dummylast DL dargestellt.
Die elektrische Spannung, welche über der elektrischen Last 1 und somit den Einzellasten LED1 bis LED5 und der Dummylast DL aus 6 abfällt, ist als Spannungswert U_out über die Periodendauer 0–T dargestellt. Der Spannungsabfall U_out in 7 entspricht dem Spannungsabfall über den angeschalteten Einzellasten LED1 bis LED5 und der Dummylast DL. Durch das zeitgleiche Zu- und Abschalten von zwei Einzellasten LED1 bis LED4 wird ein Lastsprung, verbunden mit einem Spannungsanstieg und einem Stromeinbruch vermieden. Um jedoch den Lastsprung, der in 4 und 5 zum Zeitpunkt t3 aufgetreten ist, zu unterdrücken, wird beim Einschalten der fünften Einzellast LED5 die Dummylast DL verwendet. Die Dummylast DL wird von der Steuereinheit 2 derart angesteuert, dass diese beim Einschalten der Einzellast LED5 zum Zeitpunkt t3 zeitgleich ausgeschaltet wird und beim Ausschalten der Einzellast LED5 zum Zeitpunkt T zeitgleich eingeschaltet wird. Auf diese Weise wird ein Lastsprung unterbunden und die Treiberstufe 3 muss kaum nachregeln. Im Falle der Ansteuerung von Leuchtdioden als Einzellasten LED1 bis LED5 wird ein Flackern vermieden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Treiberstufe 3 als Treibereinheit ausgestaltet.
In 7 sind über die Zeit Zustände der Einzellasten LED1 bis LED5 und der Dummylast DL untereinander dargestellt. Darunter ist der Verlauf der Spannung U_out dargestellt, die über den Einzellasten LED1 bis LED5 und der Dummylast DL abfällt. Es zeigt sich nunmehr, dass, wenn die LED5 hinzugefügt wird und gegensätzlich zum ein- und ausschalten der LED5 die Dummy-Last DL geschaltet wird, die Spannung U_out nahezu konstant bleibt.
Wie in 7 dargestellt, wird durch die Dummylast DL und deren intelligentes Ansteuern durch die Steuereinheit 2 eine homogene Belastung der Treiberstufe 3 ermöglicht. Stromeinbrüche und damit eine reduzierte Lichtabgabe werden verhindert.
Die Umsetzung ist auf einfache Art und Weise möglich, im einfachsten Fall handelt es sich bei der Dummylast DL um einen Widerstand, der zusammen mit einem parallel geschalteten Transistor auf der Ansteuereinheit angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die Dummylast DL in Form eines Halbleiters realisiert. Es könnte beispielsweise eine weitere Einzellast in Form einer Leuchtdiode oder einer Gruppe von Leuchtdioden, die jedoch keinen Beitrag zur Lichterzeugung liefert bzw. liefern, eingesetzt werden. Alternativ kann ein Feldeffekt-Transistor oder ein Transistor, der im linearen Bereich betrieben werden kann, als Dummylast DL eingesetzt werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kommt eine Operationsverstärkerschaltung als Dummylast DL zum Einsatz.
In 8 ist eine weitere Ausführungsform der Dummylast dargestellt. In der Ausgestaltung nach 8 ist die Dummylast als dynamische Dummylast DDL ausgeführt. Es kann als dynamische Dummylast DDL eine Einheit mit einem veränderbaren elektrischen Widerstand eingesetzt werden. So kann ein ansteuerbares Potentiometer oder ein Halbleiterbaustein oder eine Halbleiterschaltung oder ein Halbleiter oder eine Operationsverstärkerschaltung eingesetzt werden. In 8 ist die dynamische Dummylast DDL in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel in Form eines Transistors 5 ausgestaltet, dessen Basis über einen Widerstand 11 von der Steuereinheit 2 angesteuert wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ansteuerung der dynamischen Dummylast DDL über einen Port der Steuereinheit 2, wobei in diesem Fall die Steuereinheit 2 als Mikrocomputer, Mikrocontroller oder integrierter Schaltkreis ausgebildet ist. In der Ausführungsform der dynamischen Dummylast DDL in Form des Transistors 5 wird dieser direkt über den Widerstand 11 an der Basis des Transistors 5 vom Port der Steuereinheit 2 angesteuert, vorzugsweise mittels eines PWM-Signals (pulsweiten moduliertes Signal). Dieses PWM-Signals ist ein Spannungssignal und ist mit U_SD bezeichnet. Alternativ ist es auch möglich, den Transistor mittels eines analogen Signals, das in der Steuereinheit 2 erzeugt wird, anzusteuern. Dieses analoge Signal ist ein Spannungssignal und ist mit U_SD bezeichnet.
In der Ausführung nach 8 wird vorteilhaft ausgenutzt, dass die Treiberstufe 3 als Konstantstromquelle ausgebildet ist. Zwar kann die Konstantstromquelle einen abrupt auftretenden Spannungsanstieg nicht sofort ausgleichen, ohne einen zumindest geringen Stromeinbruch zu erzeugen, sehr wohl ist sie aber in der Lage, einen im Verhältnis zu dem regelkonstanten langsamen Anstieg auszuregeln und den Ausgangsstrom I_out und damit den „Lichtstrom” nahezu konstant zu halten.
Dieser Umstand, dass die Treiberstufe 3 einen abrupt auftretenden Spannungsanstieg nicht sofort ausgleichen kann, ohne einen zumindest geringen Stromeinbruch zu erzeugen, sie aber sehr wohl in der Lage ist, einen im Verhältnis zu dem regelkonstanten langsamen Anstieg auszuregeln, wird nunmehr mittels des Einsatzes der dynamische Dummylast DDL ausgenutzt.
In 9 sind die Signalverläufe der Spannung U_out, welche von der Treiberstufe 3 bereitgestellt werden muss, des Ausgangsstroms I_out und der Schaltzustände der Einzellasten LED1 bis LED5 und der dynamischen Dummylast DDL über ein Zeitintervall 0–T dargestellt. Durch die geschickte An- und Abschaltung der Einzellasten LED1 bis LED4, analog zur vorherigen Beschreibung, werden Lastsprünge vermieden. Der Lastsprung, der beim Ein- und Ausschalten der Einzellast LED5 entsteht, der keine weitere Einzellast zur Kompensation und mit konträrem Schaltverhalten zugeordnet werden kann, wird nunmehr durch die dynamische Dummylast DDL kompensiert.
Um den Lastsprung auszugleichen bzw. zu vermeiden, der auftreten würde, wenn zum Zeitpunkt t3 die Einzellast LED5 angeschaltet wird, wird nunmehr die dynamische Dummylast DDL beginnend zum Zeitpunkt t4 in ihrem Widerstandwert kontinuierlich, ausgehend von dem Widerstandwert Null im Zeitraum t4 bis t3 erhöht, bis diese dem Widerstandswert entspricht, den die Einzellast LED5 beim Einschalten zum Zeitpunkt t3 haben wird. Es wird daher der Spannungsabfall U_DD, der an der dynamischen Dummylast DDL abfällt, im Zeitraum t4 bis t3 kontinuierlich erhöht, bis diejenige Spannung an der dynamischen Dummylast DDL abfällt, welche beim Betrieb der Einzellast LED5 abfallen wird. Zeitgleich mit dem Einschalten der Einzellast LED5 wird sodann von der Steuereinheit 2 die dynamische Dummylast DDL abgeschaltet, d. h. deren elektrischer Widerstandwert auf Null gesetzt, so dass ein Lastsprung beim Einschalten der Einzellast LED5 nahezu unterbleibt. Der Anstieg des Spannungsabfalls U_DD über der dynamischen Dummylast DDL wird so gewählt, dass die Regelmöglichkeit der Treiberstufe 3 nicht überfordert wird. Die Erhöhung der Steuerspannung U_SD in 8 führt zu einem Anstieg der Spannung U_DD, die über der dynamischen Dummylast DDL abfällt. Die zu erwartende Spannung U_DD entspricht der Flussspannung der zum Zeitpunkt t3 geschalteten Einzellast LED5, wenn diese als Leuchtdiode ausgeführt ist. Zum Zeitpunkt t3 wird nun die Steuerspannung U_SD abgeschaltet, damit reduziert sich der Spannungsabfall U_DD auf Null, gleichzeitig wird die Einzellast LED5 eingeschaltet. Es entsteht kein Lastsprung.
Auf Grund der Abstimmung zwischen dem Spannungsabfall U_DD an der dynamischen Dummylast DDL und dem Spannungsabfall an der Einzellast LED5 erfolgt die Einschaltung der Einzellast LED5 nahezu ohne Lastsprung. Die Wahl des Zeitpunktes t4 hängt von der Beschaffenheit der Treiberstufe 3 und deren Möglichkeit zur Ausregelung von Spannungsanstiegen und des notwendigen Spannungssprungs ab. Je nach zu erwartender Spannungsdifferenz kann der Spannungsabfall über der dynamischen Dummylast DDL variabel gewählt werden, so kann eine individuelle elektrische Eigenschaft einer anzuschaltenden Einzellast über die dynamische Dummylast DDL kompensiert werden.
Der Anstieg des Spannungsabfalls über der dynamischen Dummylast DDL ist in der Ausführung gemäß 9 linear ausgestaltet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass andere Anstiegsformen, beispielsweise ein S-förmiger Anstieg oder ein exponentieller oder ein logarithmischer Anstieg zu noch geringeren Belastungen der Treiberstufe 3 führen.
Durch die flexible Einstellung des Spannungsabfalls U_DD über der dynamischen Dummylast DDL, ist es nunmehr in vorteilhafter Ausführung möglich, mehr als nur den Lastsprung einer Einzellast beim Zuschalten zu kompensieren. Insbesondere ist es z. B. möglich, mehrere LED-Flussspannungen oder stark unterschiedliche LED-Flussspannungen auszugleichen.
In 10 ein solches Vorgehen anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels dargestellt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 10 wird nunmehr gegenüber der Ausführung in 9 eine weitere Einzellast LED6 zugeschaltet. Es werden nunmehr zwei Einzellasten LED5 und LED6 gemeinsam hinzugeschaltet. Der hierdurch entstehende Lastsprung wird über die dynamische Dummylast DDL kompensiert. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können dann z. B. zwei Einzellasten LED5, LED6 mittels eines gemeinsamen, parallel geschalteten steuerbaren Schalters gesteuert werden. Der Spannungsanstieg beim gemeinsamen Einschalten der zwei Einzellasten, wie in 10 dargestellt, entspricht der Summe der Spannungsabfälle über jeder der Einzellasten LED5 und LED6. Im Ausführungsbeispiel sind diese Spannungen gleich. Die dynamische Dummylast DDL wird nun im Zeitraum t4 – t3 auf denjenigen Widerstandswert gebracht, der dem Spannungsabfall über den beiden Einzellasten LED5 und LED6 bei deren Einschalten entspricht. Der Ansteuerzeitpunkt für die dynamische Dummylast DDL wird entsprechend verschoben, so dass die zu erwartende Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt t3 erreicht wird. Dies hat zur Folge, dass die Anstiegsflanke der Spannung nicht zu steil gehalten wird, d. h. die notwendige Spannung, welche für das Einschalten notwendig ist und welche bereits zu diesem Zeitpunkt t3 über der dynamischen Dummylast DDL abfallen soll, wird im Zeitraum t4 bis t3 kontinuierlich erhöht, so dass die Treiberstufe 3 problemlos nachregeln kann. Ist der entsprechende Spannungswert an der dynamischen Dummylast DDL erreicht, in 10 im Zeitpunkt t3, so wird diese abgeschaltet und zeitgleich die Einzellasten LED5, LED6 eingeschaltet. Es zeigt sich, dass damit kein Lastsprung auftritt, die Spannung U_out der Treiberstufe 3 bleibt nahezu konstant, der Soll-Ausgangsstrom I_out bleibt ebenfalls nahezu konstant.
Mittels der dynamischen Dummylast DDL ist es außerdem möglich, nahezu jeden Lastsprung in Form eines Spannungsanstiegs und/oder Spannungsabfalls, der durch ein Einschalten oder Ausschalten einer Einzellast entsteht, zu kompensieren. Es muss nur eine entsprechende Lastanpassung mittels der dynamischen Dummylast DDL eingestellt werden.
In 11 ist nunmehr eine weitere Ausführungsform dargestellt, in Form einer dynamischen Anpassung der dynamischen Dummylast DDL bei einem Ein- oder Ausschaltvorgang einer Einzellast.
In 11 sind die Ausgangsspannung U_out der Treiberstufe 3 und der Ausgangsstrom I_out der Treiberstufe 3 im zeitlichen Verlauf über mehrere Periodendauern Z1 bis Z3 dargestellt. Darüber sind die Schaltzustände der Einzellasten LED1 bis LED5 dargestellt. Außerdem ist der Spannungsabfall U_DD über der dynamischen Dummylast DDL dargestellt. Die Einzellasten LED1 bis LED4 werden in bereits beschriebener Form gegentaktmäßig innerhalb einer der Perioden Z zu- und abgeschaltet, so dass ein Lastsprung vermieden wird. Die Einzellast LED5 wird nunmehr zu jedem Zeitpunkt t3 in jeder der Perioden Z eingeschaltet und zum Zeitpunkt T abgeschaltet. Über die dynamische Dummylast DDL werden hierdurch entstehende Lastsprünge kompensiert. Dies erfolgt in der Weise, dass vor dem Einschalten der Einzellast LED5 der Spannungsabfall an der dynamischen Dummylast DDL auf die zu erwartende Spannung gebracht wird, die die Einzellast LED5 beim Einschalten verursacht. Zum Zeitpunkt des Einschaltens der Einzellast LED5 wird die dynamische Dummylast DDL abgeschaltet. Ein Lastsprung wird vermieden.
Beim Ausschalten der Einzellast LED5 zum Zeitpunkt T wird zeitgleich die dynamische Einzellast DDL auf denjenigen Widerstandwert eingestellt, der einen Spannungsabfall an der dynamischen Dummylast DDL erzeugt, der dem Spannungsabfall über der Einzellast LED5 im Betrieb entspricht und die dynamische Dummylast DDL wird zeitgleich zum Ausschalten der Einzellast LED5 zum Zeitpunkt T eingeschaltet. Es wird auch hier ein Lastsprung unterbunden. Im nachfolgenden Zeitraum nach T wird der Spannungsabfall U_DD über der dynamischen Dummylast DDL linear auf Null reduziert.
In 11 sind mehrere Perioden Z1 bis Z3 hintereinander dargestellt. Eine Periode Z1 bis Z3 entspricht einem Zeitintervall T.
Durch eine Aktivierung der dynamischen Dummylast DDL bis zum Zeitpunkt t3 mit dem Spannungsabfall U_DD und das Einschalten der Einzellast LED5 und das zeitgleiche Ausschalten der dynamischen Dummylast DDL wird der Lastsprung, der sonst beim Zuschalten der Einzellast LED5 zum Zeitpunkt t3 entstehend würde und von der Treiberstufe 3 kompensiert werden müsste, aufgefangen. Analoges erfolgt beim Ausschalten der Einzellast LED5.
Somit kann die Ausgangsspannung U_out der Treiberstufe 3 so beeinflusst werden, dass Lastsprünge beliebig ausgleichbar sind.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es nunmehr möglich, beim Umschalten von Einzellasten LED1 bis LEDn Lastsprünge, die auf Grund von Toleranzen der Einzellasten entstehen, aufzufangen. Insbesondere beim Einsatz von Leuchtdioden können somit vorhandene Flussspannungstoleranzen kompensiert werden.
Durch eine Erfassung und/oder eine Messung der Flussspannungen der Leuchtdioden sind die Lastsprünge, die beim Ein- und Ausschalten entstehen, bekannt und können beim Ein- oder Ausschalten durch die Anpassung der dynamischen Dummylast DDL kompensiert werden. Durch eine Anpassung der Anstiegszeiten und der Abstiegszeiten der Spannung U_DD an der dynamischen Dummylast DDL kann auf die elektrischen Leistungswerte der Treiberstufe 3 eine optimierte Anpassung vorgenommen werden. Durch eine dadurch mögliche harmonische Laständerung ohne Lastsprünge ergibt sich eine erheblich bessere Stromaufnahme aus der Spannungsversorgungsquelle, wodurch die notwendigen Filterkomponenten kostengünstiger ausgestaltet werden können. Außerdem wirkt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Leistungsbilanz vorteilhaft aus.
Für die Ausgestaltung der dynamischen Dummylast DDL ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung diese in Form eines als Spannungsfolger eingesetzten Transistors 5 ausgebildet. In 12 ist eine derartige Beschaltung und Ausführung der dynamischen Dummylast DDL dargestellt. Die Ansteuerung der dynamischen Dummylast DDL erfolgt über ein pulsweitenmoduliertes Signal, vorzugsweise erzeugt von der Steuereinheit 2, dort vorzugsweise erzeugt durch einen Port 7 der Steuereinheit 2. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinheit 2 als Mikrocomputer oder Mikroprozessor ausgebildet und ein Ausgangsport dient zur Ansteuerung der dynamischen Dummylast DDL, vorteilhaft in Form eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals. Dieses Signal ist mit U_steuer_PWM bezeichnet. Über ein RC-Glied, bestehend aus einem Widerstand 8 und einem Kondensator 9, ist die Basis des Transistors 5 über einen Widerstand 11 und einen Operationsverstärker 10, der mit seinem negativen Eingang auf den Kollektor des Transistors 5 und mit seinem Ausgang über den Widerstand 11 auf die Basis des Transistors 5 geleitet ist, angebunden.
Das RC-Glied dient zur Filterung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals U_steuer_PWM. Somit kann dieses direkt, wie ausgeführt, von einem Mikroprozessor und dessen Port 7 erzeugt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung, wie in 13 dargestellt, kann auf das RC-Glied verzichtet werden, und die Spannung U_SD direkt mittels eines DA-Wandlers in der Steuereinheit 2 erzeugt werden. Dieser DA-Wandler kann in einem Mikroprozessor integriert sein.
In 14 ist eine weitere Ausführungsform einer dynamischen Dummylast DDL dargestellt. Gemäß 14 ist der Transistor aus 12 durch einen Feldeffekttransistor 6 ersetzt. Durch den Einsatz des Feldeffekttransistors 6 wird der Nachteil des Transistors 5 aus 12 und dessen hoher Spannungsabfall, welcher der Sättigungsspannung des Transistors 5 entspricht, vermieden. Der Vorzug des Feldeffekttransistors 6 liegt darin, dass eine nahezu lastlose Ansteuerung möglich ist. Es erfolgt ebenfalls eine Filterung der Steuerspannung U_steuer_PWM über ein RC-Glied, gebildet aus dem Widerstand 8 und einen gegen Masse geschalteten Kondensator 9.
Auch hier ist es, wie in 15 dargestellt, in einer weiteren Ausgestaltung möglich, auf das RC-Glied zu verzichten, und die Spannung U_SD direkt mittels eines DA-Wandlers in der Steuereinheit 2 zu erzeugen. Dieser DA-Wandler kann in einem Mikroprozessor integriert sein.
Bezugszeichenliste

LED1...LEDn: Einzellast
DL: Dummylast
DDL: Dynamische Dummylast
U_SD: Steuerspannung
U_steuer_PWM: Pulsweitenmodulierte Steuerspannung
U_DD: Spannungsabfall an der dynamischen Dummylast
S1...Sn: steuerbare Schalter
DS: steuerbarer Schalter der Dummylast
Uv: Versorgungsspannung
U_in: Eingangsspannung
U_out: Ausgangsspannung
I_out: Ausgangsstrom
I_soll: Sollstrom
Ua: Steuersignal
UD: Spannung
1: elektrische Last
2: Steuereinheit
3: Treiberstufe
4: Strommesspunkt
5: Transistor
6: Feldeffekttransistor
7: Port
8: Widerstand
9: Kondensator
10: Operationsverstärker
11: Widerstand
t1–t5, T: Zeitpunkte
Z: Periode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007011973 U1 [0004]
DE 2006059355 A1 [0005]
DE 102005058484 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Last (1), bestehend aus mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn), wobei die mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) in Reihe geschaltet sind und jeder der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) jeweils ein steuerbarer Schalter (S1 bis Sn) parallel geschaltet ist, damit jede der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) unabhängig schaltbar ist, einer Treiberstufe (3), die einen Strom (I_out) in die elektrische Last (1) treibt, und einer Steuereinheit (2), die die steuerbaren Schalter (S1 bis Sn) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass zu den mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) eine Dummylast (DL, DDL) in Reihe geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandwert der Dummylast (DL, DDL) dem Widerstandwert einer der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) entspricht oder der Widerstandwert der Dummylast (DL) einem ganzzahligen Vielfachen oder einem Bruchteil des Widerstandwertes einer der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dummylast (DL, DDL) so bemessen ist, dass die Dummylast (DL, DDL) bei einem Nennstrom dieselbe elektrische Größe annimmt, welche dem Betriebsspannungsabfall über einer der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dummylast (DL) eine statische Dummylast ist und eine feste elektrische Größe aufweist und zur Dummylast (DL) ein steuerbarer Schalter (DS), ansteuerbar durch die Steuereinheit (2), parallel geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dummylast eine dynamische Dummylast (DDL) mit einer veränderbaren elektrischen Größe ist, welche mittels der Steuereinheit (2) veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe der elektrische Widerstandwert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) den steuerbaren Schalter (DS) der statischen Dummylast (DL) schließt, wenn sie einen der steuerbaren Schalter (S1 bis Sn) der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) öffnet und/oder die Steuereinheit (2) den steuerbaren Schalter (DS) der statischen Dummylast (DL) öffnet, wenn sie einen der steuerbaren Schalter (S1 bis Sn) der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) das Schließen und/oder Öffnen des steuerbaren Schalters (DS) der statischen Dummylast (DL) zeitgleich zum Öffnen und/oder Schließen eines der steuerbaren Schalter (S1 bis Sn) der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) vornimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) beim Schließen oder Öffnen mindestens eines der steuerbaren Schalter (S1 bis Sn) der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) die dynamische Dummylast (DDL) auf denjenigen elektrischen Widerstandwert einstellt, der dem elektrischen Widerstandwert entspricht, den diejenige der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) im Betriebszustand hat, deren zugehörigen steuerbaren Schalter (S1 bis Sn) die Steuereinheit (2) schließt oder öffnet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) das erstmalige Einschalten und das gesamte Ausschalten der mindestens zwei Einzellasten (LED1 bis LEDn) der elektrischen Last (1) einzeln, zeitlich nacheinander oder gemeinsam oder in Gruppen vornimmt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) an einem Strommesspunkt (4) mittels einer Strommesseinheit den in die elektrische Last (1) fließenden elektrischen Strom (I_out) überwacht und mittels eines Ist/Soll-Vergleiches auf einen einstellbaren Sollwert mittels der Treiberstufe (3) regelt, so dass ein möglichst konstanter Strom (I_out) in die elektrische Last (1) fließt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzellast (LED1 bis LEDn) ein Dioden-Array, bestehend aus einer Leuchtdiode oder mindestens zwei parallel geschalteten und/oder in Reihe geschalteten und/oder matrixverschalteten Leuchtdioden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) eine Mikroprozessoreinheit oder Mikrocomputereinheit oder Mikrocontrollereinheit oder eine mikroelektronische Einheit mit einer konstanten Betriebsspannung ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die statische Dummylast (DL) eine weitere Einzellast (LED) oder eine Diode oder eine Leuchtdiode oder ein Bipolartransistor in Form eines npn-Transisitors oder eines pnp-Transistors, oder ein Feldeffekttransistor oder eine Steuerschaltung oder eine Kombination eines Bipolartransistors oder eines Feldeffekttransistors mit einer zugeordneten Steuerschaltung oder ein elektrischer Widerstand ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Dummylast (DDL) ein Bipolartransistor (5) in Form eines npn-Transistors oder eines pnp-Transistors, ein Feldeffekttransistor (6) oder eine Steuerschaltung oder eine Kombination eines Bipolartransistors oder eines Feldeffekttransistors mit einer zugeordneten Steuerschaltung oder ein in seinem elektrischen Widerstandwert veränderbarer elektrischer Widerstand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Dummylast (DDL) mittels eines Pulsweitenmodulationssignals ansteuerbar ist und/oder dass das Pulsweitenmodulationssignal von einem Port (7) der Steuereinheit (2) erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Dummylast (DDL) mittels eines Analogsignals ansteuerbar ist und/oder dass das Analogsignal von einem Port (7) der Steuereinheit (2) erzeugbar ist. Der elektrische Widerstandwert, den die elektrische Dummylast annimmt, ist über dieses Signal veränderbar.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Bipolartransistor (5) und/oder der Feldeffekttransistor (6) von dem Pulsweitenmodulationssignal, das über ein RC-Glied (8, 9) einem Operationsverstärker (10) zuführbar ist, in seinem elektrisch wirkenden Widerstandwert veränderbar ist, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (10), im Falle des Bipolartransistor (5) über einen zweiten Widerstand (11) auf die Basis des Bipolartransistors (5) und im Fall des Feldeffekttransistors (6) auf das Gate geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Bipolartransistor (5) und/oder der Feldeffekttransistor (6) von dem analogen Steuersignal, das einem Operationsverstärker (10) zuführbar ist, in seinem elektrisch wirkenden Widerstandwert veränderbar ist, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (10), im Falle des Bipolartransistor (5) über einen zweiten Widerstand (11) auf die Basis des Bipolartransistors (5) und im Fall des Feldeffekttransistors (6) auf das Gate geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Bipolartransistor (5) in Kollektorschaltung geschaltet und der Feldeffekttransistor (6) als n-Kanal-Feldeffekttransistor ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Dummylast (DDL) flexibel an unterschiedliche elektrische Lasten (1) anpassbar ist, und elektrische Lasten (1) mit unterschiedlichen Spannungsabfällen kombinierbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) die dynamische Dummylast (DDL) zeitversetzt vor dem Zuschalten einer oder mehrerer Einzellasten (LED1 bis LEDn) aktiviert um einen sprunghaften Spannungsanstieg zu vermeiden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die dynamische Dummylast (DDL) nicht nur zum Ausgleich des Spannungsanstiegs sondern auch zum Reduzieren der Ausgangsspannung nach dem Abschalten einer oder mehrerer Einzellasten oder Lasten mit unterschiedlichem Spannungsabfall eignet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall (U_DD) an der dynamischen Dummylast (DDL) linear änderbar oder nichtlinear in Form einer S-Kurve, exponentiell, logarithmisch oder treppenartig änderbar ist.