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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Leistung einer Lichtquelle einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung, insbesondere in Form eines Steuergeräts, zum Steuern oder Regeln einer Leistung einer Lichtquelle einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung Mittel zur Realisierung des beschriebenen Verfahrens aufweist. Die Mittel sind bspw. als das Filter zum Erzeugen des Ausgangssignals für den Leistungsregler, der Leistungsregler zum Erzeugen des Stromsollwertes für den Stromregler, der Stromregler zum Erzeugen des Stellsignals für den Wandler, der Wandler zum Erzeugen des der Lichtquelle zuzuführenden Stroms, ein erster Sensor zum Messen des durch die Lichtquelle fließenden Stroms und/oder ein zweiter Sensor zum Messen der an der Lichtquelle anliegenden Spannung ausgebildet.
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Aus der
DE 296 01 289 U1 ist ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von Hochdruck-Gasentladungslampen bekannt. Die
DE 102 03 831 A1 offenbart einen Entladungslampen-Beleuchtungsschaltkreis.
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Aus dem Stand der Technik sind ferner Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere Scheinwerfer, für Kraftfahrzeuge mit verschiedenen Arten von Lichtquellen bekannt. Insbesondere sind Kraftfahrzeugscheinwerfer bekannt, die eine Gasentladungslampe (GDL: Gas Discharge Lamp bzw. HID-Lampen: High Intensity Discharge Lampen) als Lichtquelle aufweisen. Bei Gasentladungslampen wird zur Lichtemission nicht ein Draht zum Glühen gebracht, sondern in einem gasgefüllten hermetisch abgedichteten Glaskolben (z. B. aus Quarzglas oder Aluminiumoxid-Keramik) zwischen zwei Elektroden ein Lichtbogen erzeugt und aufrechterhalten. Ab einer bauartspezifischen Mindestspannung kommt es zu einer Gasentladung mit Aussendung von Licht. Der Glaskolben wird auch als Brenner der Gasentladungslampe bezeichnet.
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Die Brennspannung von Gasentladungslampen ändert sich im statischen Betrieb bei Lampenstromänderungen nur geringfügig. Das bedeutet, dass elektrische Bordnetz-Spannungs-Schwankungen ohne Regelung sehr starke Lampenstromänderungen nach sich ziehen. Dies würde aufgrund der sich nur wenig ändernden Lampenbrennspannung sofort zu Lampenleistungs-Schwankungen und damit zu Lichtintensitäts-Änderungen führen, die sich störend auf den vor dem Fahrzeug auszuleuchtenden Fahrbahnbereich auswirken. Deshalb ist es wichtig, im dynamischen Betrieb Stromänderungen sehr schnell auszuregeln. Schnell bedeutet in diesem Zusammenhang innerhalb von mindestens 5 ms, um unter der dynamischen Empfindlichkeitsschwelle des menschlichen Auges zu bleiben.
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Lediglich während des Licht-Anlaufs treten relativ schnelle Spannungsänderungen auf, die sich im Sekundenbereich bewegen. Ansonsten steigt die Brennspannung bspw. aufgrund von Elektrodenbrand sehr langsam über die Lebensdauer der Gasentladungslampe. Deshalb wird die Leistungsregelung einer Lichtquelle, insbesondere einer Gasentladungslampe, bisher als kaskadierter schneller innerer Stromregler ausgeführt, dem ein langsamerer Leistungs-Regelkreis überlagert ist. Die Führungsgröße des Stromreglers (der Sollstrom) wird durch Division der Soll-Leistung durch die Lampen-Ist-Spannung berechnet, wobei die Lampenspannung stark tiefpassgefiltert wird. Dabei wird der Sollstrom im äußeren langsameren Leistungs-Regelkreis mit einer relativ niedrigen Wiederholrate neu berechnet und anschließend dem inneren schnelleren Stromregler mit eben dieser Wiederholrate als neuen Sollwert zugeführt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannte Leistungs-Regelung einer Gasentladungslampe hat den Nachteil, dass kurzzeitige Spannungserhöhungen der Lampe gar nicht gemessen werden können, da sie herausgefiltert werden. Lampen-Spannungsschwankungen können so nur sehr langsam (je nach Sollwert-Wiederholrate und Spannungsfilter) nachgeregelt werden, was im Falle von kurzen Änderungen sofort im Licht in Form von Lichtintensitäts-Änderungen sichtbar ist. Ein bewusst schnell ausgelegter Stromregler führt in Verbindung mit einem langsamen Leistungsregler zwar zur Ausregelung von elektrischen Bordnetz-Schwankungen, hat aber Schwächen hinsichtlich der Dynamik beim Auftreten von Lampenbrennspannungsschwankungen.
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In letzter Zeit werden vermehrt Fälle bekannt, bei denen die Fahrer von Kraftfahrzeugen über Licht-Schwankungserscheinungen bzw. Flackereffekte beim Betrieb der Gasentladungslampen klagen. Insbesondere wird dies bei harten Fahrwerken bzw. ungünstigen Dämpfungseigenschaften oder Resonanzeigenschaften des Fahrzeugs und/oder Scheinwerfers und in jüngster Zeit insbesondere bei quecksilberfreien D3-/D4- und D5-Lampen zum Problem. D3-Lampen verfügen neben einem gesockelten Brenner über ein integriertes Zündteil, D4-Lampen bestehen nur aus einem gesockelten Brenner, bei der D5-Lampe handelt es sich um eine besonders kompakte Neuentwicklung mit einem gesockelten Brenner und einem integrierten Zündteil und lediglich 25 W Leistung, vorzugsweise mit einem in das Zündteil integrierten Steuergerät.
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Die Ursachen für die Licht-Schwankungen und die Flackereffekte liegen zum Teil in der Reaktion der bekannten Leistungsreglung auf Lampenbrennspannungs-Änderungen, die trotz der Regelung bspw. aufgrund von Störeffekten auftreten können. Solche Störeffekte sind bspw. langsame mechanische Anregungen der Fahrzeugkarosserie und/oder der Beleuchtungseinrichtung, insbesondere im Bereich der mechanischen Lampen-Resonanz um etwa 15 bis 18 Hz, aber auch mechanische Schläge oder Stöße. Außerdem können die genannten Störeffekte bspw. Lampen-Spotsprünge (Diffus-/Spot-Modus) oder elektrische Bordnetz-Spannungs-Schwankungen sein. Des weiteren können Störeffekte bspw. akustische Lampenresonanzen sein, welche elektrisch durch den Wandlerripple im Bereich von ca. 120 kHz angeregt werden. Wenn der DC/DC-Wandler der Leistungsregelung Strompulse mit bestimmter Frequenz, bspw. 120 kHz erzeugt, kann der Lichtbogen anfangen zu „tanzen”, das heißt er kann den Glaskolben des Brenners berühren und kühlt ab. Dies führt zu einer Erhöhung der Brennspannung, da der Lichtbogen einen längeren Weg zurücklegen muss. Darüber hinaus können die genannten Störeffekte Kommutierungsprobleme sein, wobei sich die Lampe aufgrund chemischer Prozesse gegen Stromrichtungsänderungen „wehrt”, was ebenfalls zu einem Anstieg der Spannung führen kann.
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Während der Licht-Schwankungen kann der Lampenstrom seinen Betriebswert erreichen. Deshalb bleibt der Lichtbogenansatz länger in einem „diffuse-mode”, um die gesamte Elektrodenoberflächen durch Ionenbeschuss aufzuheizen. Die längeren „diffuse-mode”-Phasen führen unmittelbar zu weniger Licht. Bei einer hohen Lichtintensität („spot-mode arc attachment; normal arc mode”) bildet der Lichtbogenansatz einen flächenmäßig sehr kleinen Punkt, der viel heißer als der Rest der Elektrode-Oberfläche ist. Das führt zu einem Hot-Spot in der Lichtverteilung und aufgrund relativ kleiner Austrittsarbeit zu einer geringen Lampenspannung. Bei einer geringen Lichtintensität („diffuse-mode arc attachment; long high voltage/low current phase”) ist der Lichtbogenansatz flächig/diffus und erstreckt sich über eine relativ große Elektrodenfläche. Es bildet sich kein Hot-Spot, die Elektrodenoberfläche ist gleichmäßig heiß, aber kälter als der Hot-Spot im Hot-Spot-Modus. Die Lampenspannung ist höher, der Lampenstrom niedriger als im Hot-Spot-Modus.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung also die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen auf der einen Seite die Licht- und Leistungsschwankungen durch auftretende Lampen-Brennspannungs-Änderungen zu minimieren und auf der anderen Seite die Licht- und Leistungsregelung durch Bordnetz-Schwankungen beizubehalten, dabei aber ungewollte Reaktionen aufgrund von Kommutierungsproblemen zu vermeiden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Insbesondere wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das für die Erzeugung des gefilterten Ausgangssignals herangezogene Signal gemessen, mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen und nur dann zum Erzeugen des gefilterten Ausgangssignals herangezogen wird, wenn es den Grenzwert nicht überschreitet, und dass das gefilterte Ausgangssignal so lange als Ausgangssignal zum Erzeugen des Stromsollwertes herangezogen wird, bis ein neues für die Erzeugung des gefilterten Ausgangssignals vorgesehenes Signal vorliegt, das aufgrund des Vergleichs mit dem Grenzwert zum Erzeugen eines aktualisierten gefilterten Ausgangssignals herangezogen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird also eine neuartige Regelstrategie zur Leistungsregelung einer Lichtquelle einer Kraftfahrzeug-Beleuchtungseinrichtung vorgeschlagen, bei der das an der Lichtquelle gemessene Eingangssignal nicht unmittelbar dem Filter und der weiteren Leistungsregelung zugeführt wird, sondern dieses Signal zunächst einer Plausibilitätsprüfung unterzogen wird. Im Rahmen der Plausibilitätsprüfung wird das gemessene Eingangssignal mit mindestens einem vorgebbaren Grenzwert verglichen und nur dann an das Filter bzw. die restliche Leistungsregelung weitergegeben, wenn – je nach Auslegung und Anwendungsfall – das gemessene Eingangssignal den Grenzwert überschreitet oder nicht überschreitet. Die Plausibilitätsprüfung ist nur in Kenntnis der im Normalbetrieb an der Lampe vorhandenen tastsächlichen Eingangsgröße möglich, anhand der dann der mindestens eine Grenzwert bestimmt wird. Diese muss im statischen Brennbetrieb im eingeschwungenen Zustand zeitlich deutlich nach der Durchführung des Lampenanlaufs ermittelt und in einem Speicherelement (z. B. EEPROM) eines Steuergeräts der Lichtquelle abgespeichert werden. Ein Mikrocontroller des Steuergeräts erlernt also für die ihm zugeordnete Lichtquelle die im Normalbetrieb der Lichtquelle vorhandenen Eingangsgrößen und ermittelt individuell für jede Lichtquelle den oder die geeigneten Grenzwerte. Vorzugsweise wird die Eingangsgröße im Normalbetrieb zuzüglich einer Sicherheitsmarge von +20% der Eingangsgröße als Grenzwert gewählt. Selbstverständlich ist es denkbar, die Sicherheitsmarge auch kleiner oder größer als die beispielhaft angegebenen +20% zu wählen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungsregelung hat insbesondere die nachfolgend aufgeführten Vorteile:
- – Schnelle Leistungs-Ausregelung zur Dämpfung von Lichtschwankungseffekten bei langsamen mechanischen Anregungen, insbesondere im Bereich der mechanischen Lampen-Resonanz um etwa 15 bis 18 Hz, aber auch bei mechanischen Schlägen oder Stößen.
- – Schnelle Leistungs-Ausregelung zur Dämpfung von Lichtschwankungseffekten bei Lampen-Spotsprüngen (Diffus-/Spot-Modus).
- – Schnelle Leistungs-(bzw. Strom-)Ausregelung zur Dämpfung von Lichtschwankungseffekten bei elektrischen Bordnetz-Spannungs-Schwankungen.
- – Schnelle Leistungs-Ausregelung zur Dämpfung von Lichtschwankungseffekten bei Lampenbrennspannungs-Änderungen aufgrund von akustischen Lampenresonanzen, die elektrisch durch den Wandlerripple im Bereich von 120 kHz angeregt werden.
- – Verbesserte Reaktion auf das Auftreten von Stromnullphasen bei Stromrichtungsänderungen.
- – Schnelle Leistungs-Ausregelung zur Dämpfung von Lichtschwankungseffekten bei langsamen Lageänderungen der Lampe („tanzendem” Lichtbogen) bzw. durch mechanische Quer- oder Längsbeschleunigungen wie bei Kurvenfahrten, Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen oder Verkippungen.
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Die Vorteile der Erfindung bedeuten also eine Vereinigung aller, insbesondere durch den Betrieb von quecksilberfreien Gasentladungslampen neu entstandener Regelungsanforderungen.
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Das an der Lichtquelle gemessene Eingangssignal des Filters ist vorzugsweise eine an einer Gasentladungslampe gemessene Spannung und/oder eine auf die Leistungsregelung, insbesondere auf die an der Lampe anliegende Spannung, einwirkende Störspannung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Gasentladungslampen beschränkt, sondern kann auch für andere Arten von Lichtquellen eingesetzt werden, z. B. Glühlampen oder Halbleiterlichtquellen, insbesondere LEDs. Außerdem kann als gemessene Eingangsgröße theoretisch auch der durch die Lichtquelle fließende Lampenstrom herangezogen werden.
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Die Störspannung kann durch Schwankungen der Spannung des Bordnetzes und/oder durch mechanische Anregung, insbesondere Resonanzen, der Lichtquelle und/oder durch Lampen-Spot-Sprünge und/oder durch Strompulse und/oder auf die Lichtquelle wirkende Beschleunigungen verursacht werden. All diese Störgrößen können mit der erfindungsgemäßen Regel-Strategie schnell und zuverlässig kompensiert werden, so dass stets eine konstante Lichtstärke des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts ohne störende Schwankungen und Flackereffekte sichergestellt ist.
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Vorteilhafterweise wird das Eingangssignal nur dann zum Erzeugen des Ausgangssignals für den Leistungsregler herangezogen, wenn es den Grenzwert nicht überschreitet. Die Auswirkungen eines besonders stark schwankenden Eingangssignals auf die Leistungsregelung und damit auch auf die Lichtstärke des ausgesandten Lichts werden mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Plausibilitätsprüfung also wirksam unterdrückt.
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Das Eingangssignal wird Tiefpass gefiltert. Durch die Tiefpassfilterung wird ein Mittelwert des Eingangssignals als Ausgangssignal des Filters erzeugt und zum Erzeugen des Stromsollwertes herangezogen. Der Mittelwert des Eingangssignals wird so lange als Ausgangssignal des Filters zum Erzeugen des Stromsollwertes herangezogen, bis ein neues Eingangssignal am Filter anliegt, das aufgrund des Vergleichs mit dem Grenzwert im Rahmen der Plausibilitätsprüfung zum Erzeugen des Ausgangssignals durch das Filter für den Leistungsregler herangezogen werden kann. Anders ausgedrückt: Das Ausgangssignal des Filters wird immer zum Erzeugen des Stromsollwerts herangezogen. Das Eingangssignal des Filters wird aber nur zum Erzeugen des Ausgangssignals des Filters (z. B. des Mittelwerts des Eingangssignals) benutzt, wenn es der Plausibilitätsprüfung standhält.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung, insbesondere in Form eines Steuergeräts, zum Steuern oder Regeln einer Leistung einer Lichtquelle einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs gelöst, die Mittel zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Insbesondere ist zwischen einem der Sensoren zum Messen der an der Lichtquelle anliegenden Spannung oder zum Messen des durch die Lichtquelle fließenden Stroms und dem Filter eine Einheit zur Plausibilitätsprüfung angeordnet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Figuren beispielhaft anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Kraftfahrzeug mit mehreren Beleuchtungseinrichtungen mit Lichtquellen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren leistungsgeregelt werden;
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2 eine Beleuchtungseinrichtung des Kraftfahrzeugs aus 1;
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3 ein Lichtmodul der Beleuchtungseinrichtung aus 2;
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4 eine Lichtquelle des Lichtmoduls aus 3; und
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5 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Leistungsregelung einer Lichtquelle.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Es umfasst unter anderen verschiedenartige Beleuchtungseinrichtung, von denen zwei in Form von Scheinwerfern mit den Bezugszeichen 2 und 3 bezeichnet sind. Außer den Scheinwerfern 2, 3 kann das Fahrzeug 1 noch Heck- Seiten- oder Frontleuchten umfassen, die hier jedoch nicht näher bezeichnet sind.
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Der linke Scheinwerfer 2 des Fahrzeugs 1 aus 1 ist in 2 vergrößert dargestellt. Er umfasst ein Gehäuse 4, das vorzugsweise aus Kunststoff besteht. In einer Lichtaustrittsrichtung 5 verfügt das Gehäuse 4 über eine Lichtaustrittsöffnung, die mittels einer Abdeckscheibe 6 aus einem lichtdurchlässigen Material, insbesondere Glas oder Kunststoff, verschlossen ist. Die Abdeckscheibe 6 kann ohne optisch wirksame Profile, bspw. in Form von Prismen, als klare Scheibe ausgebildet sein oder aber zumindest bereichsweise mit optische wirksamen Profilen zum Streuen des hindurchtretenden Lichts versehen sein. Im Inneren des Scheinwerfergehäuses 4 sind zwei Lichtmodule 7 und 8 angeordnet. Selbstverständlich ist es denkbar, dass in dem Gehäuse 4 lediglich ein Lichtmodul 7 oder 8 angeordnet ist oder mehr als die zwei gezeigten Lichtmodule 7, 8 angeordnet sind. Außerdem ist es denkbar, dass zusätzlich zu den Lichtmodulen 7, 8 noch Leuchten (nicht dargestellt) in dem Gehäuse 4 angeordnet sind, bspw. zur Erzeugung eines Blinklichts, eines Tagfahrlichts, eines statischen Kurvenlichts, eines Positions- oder Standlichts oder anderer Leuchtenfunktionen. Die Lichtmodule 7, 8 können starr oder beweglich am Gehäuse 4 befestigt sein. Zur Realisierung einer dynamischen Kurvenlichtfunktion kann mindestens eines der Lichtmodule 7, 8 um eine im Wesentlichen vertikale Schwenkachse (nicht dargestellt) bewegbar im Gehäuse 4 gelagert sein. Außerdem kann mindestens eines der Lichtmodule 7, 8 zur Variation der Leuchtweite des von dem Modul 7, 8 ausgesandten Lichts um eine im Wesentlichen horizontale Schwenkachse bewegbar im Gehäuse 4 gelagert sein.
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In 3 ist das Lichtmodul 7 des Scheinwerfers 2 aus 2 beispielhaft dargestellt. Das Lichtmodul 7 ist als ein sogenanntes Projektionsmodul ausgebildet. Es verfügt über eine Lichtquelle 9, die vorzugsweise als eine Gasentladungslampe ausgebildet ist. Die Lampe 9 ist an der Rückseite eines Reflektors 10 angeordnet, so dass ein Brenner 11 der Lampe 9 durch eine Öffnung im Scheitel des Reflektors 10 in dessen Inneres ragt. Die Lampe 9 ist über einen Sockel 12 an dem Reflektor 10 lösbar befestigt. Selbstverständlich kann die Lampe 9 auch auf andere Weise an dem Reflektor 10 befestigt sein, bspw. seitlich, so dass eine Längsachse des Brenners 11 quer zu einer optischen Achse 13 des Lichtmoduls 7 verläuft. Integraler Bestandteil der Lampe 9 ist neben dem Brenner 11 auch ein auf der dem Brenner 11 gegenüberliegenden Seite des Sockels 12 angeordnetes Zündgerät 14. Das Zündgerät 14 wird über eine oder mehrere Leitungen 15 mit Energie und/oder Steuersignalen beaufschlagt. Ein Steuergerät zum Betrieb der Lampe 9 kann über eine oder mehrere der Leitungen 15 an das Zündgerät 14 angeschlossen sein. Alternativ ist es auch denkbar, dass das Steuergerät bzw. seine Funktionalität in das Zündgerät 14 integriert ist.
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In Lichtaustrittsrichtung 5 nach dem Reflektor 10 betrachtet, ist eine Projektionslinse 16 angeordnet. Diese ist über einen Linsenhalter 17 am Vorderrand 18 des Reflektors 10 befestigt. Zwischen dem Reflektor 10 und der Linse 16 ist eine Blendenanordnung 19 angeordnet, welche eines oder mehrere Blendenelemente umfassen kann. Die Blende 19 weist eine Oberkante auf, welche von der Linse 16 zur Erzeugung einer Helldunkelgrenze der Lichtverteilung auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug 1 projiziert wird. Der Verlauf der Oberkante der Blende 19 kann variabel sein, so dass eine, den aktuellen Fahr- und Umgebungssituationen angepasste adaptive Lichtverteilung erzielt werden kann. So ist es bspw. denkbar, den Verlauf der Oberkante durch Betätigen eines Hebels 20 zu verändern, um die erzeugte Lichtverteilung zwischen Rechtsverkehr und Linksverkehr umzuschalten. Ebenso ist es denkbar, dass die Blende 19 um eine in einem Abstand und quer zur optischen Achse 13 verlaufende horizontale Achse zu klappen, um einen Teil der Blende 19 aus dem Strahlengang der von dem Reflektor 10 reflektierten Lichtstrahlen herauszubewegen. Dadurch kann die Lichtverteilung von einer abgeblendeten Lichtverteilung (z. B. herkömmliches Abblendlicht, Stadtlicht, Landstraßenlicht, Autobahnlicht, Nebellicht) auf Fernlicht umgeschaltet werden. Zum Klappen der Blende 19 ist ein Aktor 21, bspw. in Form eines Elektromagneten oder Elektromotors, vorgesehen. Ebenso ist es denkbar, dass die Blende 19 mehrere hintereinander angeordnete und relativ zueinander bewegbare plattenartige Blendenelemente aufweist, die jeweils eine eigene Oberkante aufweisen. Die resultierende und von der Linse 16 abgebildete Oberkante der Blendenanordnung 19 ergibt sich durch eine Überlagerung des Verlaufs der einzelnen Oberkanten der Blendenelemente. Durch Relativbewegung der Blendenelemente zueinander kann der Verlauf der resultierenden Oberkante variiert werden, bspw. um zwischen herkömmlichem Abblendlicht, Stadtlicht, Landstraßenlicht, Autobahnlicht und beliebig anderen Lichtfunktionen umschalten zu können.
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Selbstverständlich kann das Lichtmodul 7 auch als ein sogenanntes Reflexionsmodul ausgebildet sein, bei dem das von der Lichtquelle 9 ausgesandte Licht durch einen Reflektor 10 zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug 1 reflektiert wird. Ein Reflexionsmodul verfügt über keine Projektionslinse 16. Auch auf eine dem Reflektor 10 in Lichtaustrittsrichtung nachgeordnete Blendenanordnung 19 kann bei dem Reflexionsmodul verzichtet werden. Insbesondere wenn der Reflektor 10 als ein sogenannter Freiformreflektor ausgebildet ist, verfügt das reflektierte Licht bereits weitgehend über eine zufriedenstellende Helldunkelgrenze. Außerdem kann die Lichtquelle 9 auch als eine Glühlampe oder eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen, bspw. LEDs, ausgebildet sein.
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In 4 ist die als Gasentladungslampe ausgebildete Lichtquelle 9 des Lichtmoduls 7 aus 3 vergrößert dargestellt. Der Brenner 11 ist als ein hermetisch abgedichteter Kolben, vorzugsweise aus Quarzglas oder Aluminiumoxid-Keramik, ausgebildet. Während des Betriebs der Lampe 9 wird im Inneren des Brenners 11 ein Lichtbogen 22 gezündet und aufrechterhalten. Man erkennt, dass der Brenner 11 seinerseits in einem äußeren Glaskolben 23 angeordnet ist. Zum Anschluss der Leitungen 15 ist am Zündgerät 14 der Lampe 9 ein Steckerelement 24 ausgebildet. Die Leitungen 15 umfassen in dem dargestellten Beispiel Energieversorgungsleitungen 15a, die zu einer Fahrzeugbatterie 25 führen, sowie mindestens eine Signalleitung 15b, die zu einem Steuergerät 26 zur Steuerung oder Regelung der Lampe 9, insbesondere auch der Leistung der Lampe 9, führt. Das Steuergerät 26 bzw. dessen Funktionalität kann gemäß einer alternativen Ausführungsform auch in das Zündgerät 14 integriert sein. In diesem Fall könnte auf die externen Signalleitungen 15b verzichtet werden.
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5 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Leistungsregelung der Lichtquelle 9. Die dargestellte Regelung ist kaskadiert aufgebaut und umfasst einen inneren, relativ schnellen Stromregler 30, dessen Führungsgröße (Soll-Strom I_soll) durch einen äußeren, langsameren Leistungs-Regelkreis vorgegeben wird. Der entsprechende Leistungsregler ist mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet. Der Stromregler 30 erzeugt ein Stellsignal für einen DC/DC-Wandler 32 in Abhängigkeit von einer Stromregeldifferenz (I_soll – I_ist). Der Wandler 32 erzeugt in Abhängigkeit des Stellsignals einen der Lampe 9 zuzuführenden Strom I. Ein erster Sensor 33 in Form eines Stromsensors ist zur Messung des durch die Lampe 9 fließenden Lampenstroms I vorgesehen und stellt den gemessenen Strom-Istwert L_ist zur Bildung der Regeldifferenz zur Verfügung. Ein zweiter Sensor (nicht dargestellt) dient zur Messung der an der Lampe 9 anliegenden Lampenbrennspannung U. Die Lampenbrennspannung U wird in einem Filterelement 34 tiefpassgefiltert. Der Tiefpassfilter 34 kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein. Die gefilterte Lampenspannung U* wird dem Leistungsregler 31 zur Ermittlung des Strom-Sollwerts I_soll aus dem Quotienten aus Leistungs-Sollwert P_soll und der gefilterten Lampenspannung U* zur Verfügung gestellt.
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Bordnetz-Schwankungen, die durch den Block 35 repräsentiert sind, können zu einem Störstrom I_stör führen, der sich auf den Lampenstrom I auswirkt. Mechanische Anregungen und Resonanzen, die durch den Block 36 repräsentiert sind, können zu einer Störspannung U_stör führen, die sich auf die Lampenspannung U auswirkt.
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Erfindungsgemäß wird die Anordnung einer Einheit 40 zur Plausibilitätsprüfung der gemessenen Lampenspannung U zwischen der Spannungsmessung und dem Tiefpassfilter 34 vorgeschlagen. Das hat in vorteilhafter Weise zur Folge, dass nicht jede gemessene Lampenspannung U an den Filter 34 weitergeleitet und zur Leistungsregelung herangezogen wird. Starke Schwankungen der Lampenspannung U bleiben somit unberücksichtigt, so dass Helligkeitsschwankungen des von der Lampe 9 ausgesandten Lichts, die vom Fahrer des Fahrzeugs 1 als störendes Flackern wahrgenommen werden, wirksam verhindert werden.
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Hier wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die an der Lichtquelle 9 gemessene Eingangsgröße des Filters 34 die Lampenspannung U der Gasentladungslampe 9 ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Gasentladungslampen beschränkt, sondern kann auch für andere Arten von Lichtquellen eingesetzt werden, z. B. Glühlampen oder Halbleiterlichtquellen, insbesondere LEDs. Außerdem kann als gemessene Eingangsgröße theoretisch auch der durch die Lichtquelle 9 fließende Lampenstrom I herangezogen werden.
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Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend für eine mit Gleichstrom (DC) betriebene Lampe 9 am Beispiel von Lampen-Spannungsänderungen durch Kommutierungsprobleme (Stromrichtungsänderung) beschrieben. Die ersten sehr schnellen Spannungsänderungen können durch das Auftreten der sogenannten Stromnull- bzw. Niedrigstrom- oder Hochimpedanz-Phasen kurz nach der Kommutierung bzw. nach dem Strom-Nulldurchgang (für Zeiten von 1 μs bis maximal 1,25 ms = ganze Halbwelle) beobachtet werden. Diese treten insbesondere bei alten Lampen 9, bei einer Abregelung auf niedrigere Leistungen oder aufgrund eines chemischen Ungleichgewichts durch Verunreinigungen (z. B. erhöhter Jodanteil) auf. In diesen Phasen ändert der Bogen seinen Ansatz an der Elektrode vom Spot- in den Diffus-Modus oder die Gasentladung beharrt nach dem Stromnulldurchgang in einer Glimmentladung, wodurch die Entladung viel hochimpedanter wird, bis sich durch einen Anstieg der Steuergeräte-Ausgangsspannung die gewollte Lawinenentladung einstellt.
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Der zu erreichende Wiederzündspannungsbedarf kann je nach Wandlerdynamik (= Spannungs-Anstiegs-Geschwindigkeit) bis zum dreifachen der normalen Brennspannung erreichen. Aufgrund der kurzen Zeit (in der Regel unter 1 ms) sind diese für das menschliche Auge als Lichtschwankung jedoch nicht sichtbar. Da bei Niedrigstromphasen der schnelle Stromregler 30 bereits hochzieht, um den alten Wert vor der Kommutierung zu erreichen, hilft dies bei der Überwindung dieser Phase. Würde man nun durch eine schnelle Leistungsregelung aufgrund der durch den Impedanzsprung erhöhten Lampenspannung U des Lampenstrom I zusätzlich reduzieren, würden die Elektroden weiter abkühlen, was die Ausbildung dieser Phase noch stärker begünstigen würde. Diese Mitkopplung (= instabiler Arbeitspunkt) führt bei der aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsregelung dann zu sich wiederholenden Stromnullphasen, die dann als Flackern sichtbar sind bis hin zum Erlöschen der Lampe.
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Daher ist es erfindungsgemäß wichtig, die schnell gemessene Lampenbrennspannung U auf Plausibilität zu prüfen (Block 40), bevor diese dem Leistungsregler zur Berechnung des neuen Stromsollwerts I_soll zugeführt wird, um die in diesem Fall ungewollte Reaktion der Stromreduktion zu unterbinden.
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Eine Plausibilitätsprüfung der Lampenbrennspannung U ist nur durch Kenntnis der im Normalbetrieb vorhandenen tatsächlichen Brennspannung U möglich. Diese muss im statischen Brennbetrieb im eingeschwungenen Zustand zeitlich deutlich nach der Durchführung des Lampenanlaufs erfasst und in einem Speicherelement (z. B. einem EEPROM) 27 (vgl. 4) des Steuergeräts 26 abgespeichert, also vom Mikrocontroller des Steuergeräts 26 erlernt werden. Als Grenzwert für die Plausibilitätsprüfung der Lampenspannung U kann bspw. ein Wert von „gelernter Brennspannung” zuzüglich 20% gewählt werden. Hierbei ist es jedoch notwendig, dass für die Plausibilitätsprüfung nicht ein langsam gefilterter Wert verwendet wird, da dieser zu langsam steigt und die Prüfung damit aushebeln würde. Deshalb ist es auch nicht zielführend, die hardware- (Tiefpass der Analog/Digital-Wandlung) und softwaremäßige (Softwarefilter) Spannungsmessung langsam zu machen. Es ist also wichtig, die Plausibilitätsprüfung bereits vor der Filterung, also bspw. während der ADC(Analog/Digital Converter)-Spannungs-Abtastung durchzuführen, und dort Werte, welche die entsprechenden Werte im Normalbetrieb um mehr als 20% übersteigen, nicht zu verwenden und in diesem Fall den Spannungs-Filter 34, insbesondere den sofwaremäßigen Filter, bei dem ursprünglichen, zuvor gemessenen plausiblen Wert zu belassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend am Beispiel von Lampen-Spannungsänderungen durch mechanische Anregungen und/oder Bewegungen des Fahrzeugs 1 bzw. der Lichtquelle 9 beschrieben. Die durch mechanische Anregung der Lampe 9 hervorgerufenen Lichtbogen 22 bzw. Plasma-Auslenkungen sind von der D1-Lampe her als Lichtzittern bekannt. Auch diese verändern kurzzeitig die Brennspannung U der Lampe 9.
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Auswirkungen der mechanischen Anregung können eine Änderung der Länge des Lichtbogens 22, Auskühlung des Bogens 22, chemisches Ungleichgewicht durch das Anschlagen des Lichtbogens 22 an die Wand des Brenners 11 oder Verdampfungsprozesse sowie Spotsprünge und Änderungen des Bogenansatzes (Diffus-/Spot-Modus) sein. Besonders empfindlich sind Gasentladungslampen 9 bei mechanischen sinusförmigen Auf- und Ab-Bewegungen im Bereich von etwa 15 bis 18 Hz. Ursache sind Resonanz-Erscheinungen, die insbesondere von der Geometrie des Brennraums 11 und dem darin herrschenden Gasdruck abhängig sind.
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Diese Bewegungen führen zu Änderungen der Brennspannung U der gleichen Frequenz. Die sich einstellende Amplitude der Brennspannung U hängt von der Beschleunigung ab. In der Regel reicht eine Beschleunigung von etwa 0,5 bis 1,5 g, um eine Auslenkung des Lichtbogens 22 zu verursachen. Durch den geringeren Gasdruck der quecksilberfreien Gasentladungslampen 9 (z. B. D3-, D4-, D5-Lampe) wird der Bogen 22 im Gegensatz zu den D1- oder D2-Lampen deutlich weniger fest in seiner Position entlang des kürzesten Weges zwischen den beiden Elektroden gehalten, wodurch eine stärkere Auslenkung des Bogens 22 bei mechanischer Anregung oder Beschleunigung der Lampe 9 gegeben ist. Spannungsänderungen aufgrund von mechanischen Anregungen ziehen damit jedoch ungedämpft und direkt Leistungs-Schwankungen und damit störende Lichtintensitätsänderungen nach sich.
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Um dem entgegenzuwirken, wird das Leistungs-Regelverhalten deutlich verbessert, indem ein sehr schneller Stromregler 30 in Verbindung mit relativ schneller Wiederholrate der Stromsollwert-Vorgabe (etwa im Bereich von 2 ms) und einer relativ schnellen hard- und softwaremäßigen Filterung 34 der Lampenbrennspannung U (etwa im Bereich von 2 ms) verwendet wird. Schnelle Änderungen der Spannung U im Bereich von 20% der im Normalbetrieb anliegenden Spannung innerhalb von 10 ms (z. B. bei einem mechanischen Schlag) können leistungsmäßig nur gedämpft werden, wenn die Filterung 34 der Spannung U die Änderung sehr schnell (etwa im Bereich von 1 ms) bemerkt und den Stromsollwert I_soll entsprechend schnell zurückfährt. Eine Verzögerung durch:
- – zu langsamen Spannungsfilter 34,
- – zu niedriger Wiederholrate der Sollstrom-Vorgabe durch den Leistungsregler 31, und
- – zu langsames Nachführen des Stromreglers 30
führt zu einem entsprechend großen Licht- bzw. Leistungs-Überschwinger.
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Wie bereits erwähnt ist jedoch eine schnelle Reaktion auf Spannungserhöhungen sehr kontraproduktiv, wenn diese durch Lampen-Stromnullphasen (Lampen-Impedanzsprung bei Kommutierung) hervorgerufen wurde. Deshalb wird zwischen Spannungserhöhungen aufgrund von Lampen-Stromnullphasen und anderen Lampen-Stromänderungen aus sonstigem Grund unterschieden. Als Unterscheidungskriterium dient die Plausibilitätsprüfung der Lampenspannung U.
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Ein schneller Leistungsregler 31 funktioniert also nur in Verbindung mit der Plausibilitätsprüfung 40 der Lampenspannung U auf Werte von „gelernter Brennspannung” zuzüglich einer Sicherheitsmarge von etwa 20%, da Änderungen der Spannung U durch mechanische Anregungen in der Regel unter 20% liegen, während Spannungsänderungen durch Stromnullphasen immer deutlich über 20% liegen.
