DE10201053A1 - Reihen-LED-Hinterleuchtungsteuerschaltung - Google Patents

Reihen-LED-Hinterleuchtungsteuerschaltung

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine LED-Steuerschaltung mit mehreren, in Reihe geschalteten, lichtemittierenden Dioden (LEDs), die fehlertolerant, temperaturkompensiert und temperaturgedrosselt sind. Die Reihen-LEDs können zur Hinterleuchtung einer LCD in Anwendungen verwendet werden, wie in Laptop-Computern, in persönlichen digitalen Assistenten, in Zellentelefonen und in Kraftfahrzeuganwendungen. Eine optimale Luminanzkompensationsschaltung stellt den Strom durch die LEDs als Funktion der LED-Temperatur ein, um eine im Wesentlichen konstante LED-Intensität aufrecht zu erhalten. Eine optimale Temperaturdrosselschaltung verringert den Strom durch die LEDs, wenn die Temperatur einen Schwellenwert erreicht. Die LED-Temperatur kann auch von außen über ein Temperaturausgangssignal bereit gestellt werden.

Description

REIHEN-LED-HINTERLEUCHTUNGSTEUERSCHALTUNG
Die vorliegende Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet von lichtemittierenden Dioden("LED")schaltungen, und insbesondere betrifft die Erfindung Steuerschaltungen zur Hinterleuchtung von LCDs und anderen Vorrichtungen mit fehlertoleranter LED- Schaltung.
Zur Hinterleuchtung von Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeigen ("AMLCD") dienen typischerweise Kaltkathodenfluoreszenzlam­ pen("CCFL")vorrichtungen. Eine Eigenschaft von CCFL-Vorrich­ tungen besteht darin, dass sie hohe Hinterleuchtungseffizienz bzw. -wirkungsgrad besitzen. CCFL-Vorrichtungen haben jedoch zahlreiche Nachteile. Beispielsweise können CCFL-Vorrich­ tungen Quecksilber enthalten, mithin eine hochgefährliche Substanz, die aus zahlreichen AMLCD-Anwendungen ausgeschlos­ sen wurde. CCFL-Vorrichtungen können bei niedrigen Temperatu­ ren schlechte Effizienz zeigen, was einen zusätzlichen Schaltkreis erfordert, wie etwa ein Heizelement oder eine Stromerhöhungsschaltung. CCFL-Vorrichtungen können eine nichtlineare Effizienzkurve in Bezug auf die Temperatur auf­ weisen. CCFL-Vorrichtungen können einen Inverter benötigen, um die CCFL-Vorrichtung zu treiben. CCFL-Vorrichtungen können komplexe Steuerschemata erfordern, einschließlich Lichtsenso­ ren und Temperatursensoren zum Bereitstellen angemessener Dimmverhältnisse für einen Betrieb zur Nachtzeit. CCFL-Vor­ richtungen können eine kurze Lebenserwartungsdauer aufweisen, insbesondere bei niedrigen Betriebstemperaturen und sie kön­ nen eine zusätzliche elektromagnetische Interferenz("EMI")- abschirmung sowie elektrisches Filtern erfordern.
Alternativen zu CCFL-Vorrichtungen zur Hinterleuchtung einer AMLCD umfassen auf Xenon basierende Vorrichtungen. Auf Xenon basierende Hinterleuchtungsschaltungen enthalten kein Queck­ silber, sie weisen eine überlegene Niedertemperaturlebensdau­ er auf sowie Niedertemperaturbetriebseigenschaften und sie sind mit einer geringeren Leuchtstoffbeeinträchtigung als CCFL-Vorrichtungen behaftet. Xenonlampen sind jedoch relativ teuer und erfordern eine komplexe Steuerschaltung. Xenonlam­ pen besitzen außerdem eine geringe Effizienz bzw. einen ge­ ringen Wirkungsgrad. Beispielsweise erbringt eine Xenonlampe mit einem Durchmesser, der doppelt so groß ist wie derjenige einer auf Quecksilber basierenden CCFL-Lampe lediglich deren halbe Helligkeit. Da der Wirkungsgrad der Xenonlampe weniger als halb so groß wie derjenige einer CCFL-Lampe sein kann, erzeugt der zur Stromversorgung einer auf Xenon basierenden Schaltung erforderliche Strom ein Problem hinsichtlich des Stromverbrauchs. Während Xenonlampen zahlreiche der Probleme der CCFL-Lampentechnik überwinden, erzeugt die Xenonlampen­ technik neue Probleme. Es besteht deshalb ein Bedarf auf dem Gebiet von LCDs, eine neue und nützliche Hinterleuchtungsvor­ richtung sowie eine Treiberschaltung bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 hinsichtlich einer LED-Vorrichtung, durch die Merkmale des Anspruchs 21 hinsichtlich einer Anzeigeeinheit für eine Kraftfahrzeuganwendung, und durch die Merkmale des Anspruchs 25 hinsichtlich eines Steuerverfahrens für eine Reihen-LED- Gruppierung.
Mit anderen Worten schafft die vorliegende Erfindung eine Steuerschaltung für eine lichtemittierende Diode mit mehre­ ren, in Reihe geschalteten, lichtemittierenden Dioden (Rei­ hen-LEDs), die fehlertolerant, temperaturkompensiert und tem­ peraturgedrosselt zu Gunsten eines schonenden Betriebs sind. Die Reihen-LEDs können verwendet werden, um eine LCD in spe­ ziellen Anwendungen zu hinterleuchten, wie etwa Anzeigen ei­ nes Laptop-Computers, persönlicher digitaler Assistenten, von Zellentelefonen und bei Kraftfahrzeuganwendungen. Eine optio­ nale Luminanzkompensationsschaltung stellt den Strom durch die LEDs als Funktion der LED-Temperatur ein, um eine im We­ sentliche konsistente LED-Intensität aufrecht zu erhalten. Eine optionale Temperaturdrosselschaltung verringert den Strom durch die LEDs, wenn die Temperatur einen Schwellenwert erreicht. Die LED-Temperatur kann auch extern bereit gestellt werden durch ein Temperaturausgangs- bzw. -ausgabesignal.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispiel­ haft näher erläutert; in dieser zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Reihen-LED-Steuerschaltung,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Reihen-LED-Steuerschaltung,
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Reihen-LED-Steuerschaltung, und
Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Reihen-LED-Gruppierung.
Nachfolgend werden die folgenden Definitionen verwendet:
AMLCD - Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige;
CCFL - Kaltkathodenfluoreszenzlampe;
CCFL - Inverter-Schaltung zum Bereitstellen der Spannung und des Stroms zur geeigneten Steuerung der Lichtausgabe einer LCD - CCFL-Lichtausgabe;
LCD - Flüssigkristallanzeige;
Wirksamkeit - Umsetzwirkungsgrad beim Umsetzen von Watt in Lumen (Lumen/Watt);
LED - lichtemittierende Diode;
Lumen - Einheit der Lichtintensität, bezogen auf das mensch­ liche Auge und definiert als spektraler Lichtwirkungsgrad für monochromes Licht mit einer sichtbaren Spitzenwertempfind­ lichkeit bei einer Wellenlänge von 555 nm;
NIT - Luminanzeinheit für Licht, das durch eine diffuse Ober­ fläche reflektiert, durchgelassen oder emittiert wird; und
PWM - Impulsbreitenmodulation.
Nunmehr wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsfor­ men erläutert. Die verbesserte LED-Schaltung stellt eine Hin­ terleuchtung für AMLCDs mit zahlreichen LEDs bereit unter Be­ seitigung der Probleme, die mit CCFL- und Xenonsystemen ver­ bunden sind. Die verbesserte LED-Schaltung stellt außerdem eine verbesserte LED-Steuerung für andere Anwendungen bereit. Die LEDs sind in Reihe konfiguriert, wobei eine Diode oder eine ähnliche Vorrichtung parallel geschaltet ist, um Fehler­ toleranz bereit zu stellen. Eine Stromabtastschaltung ermit­ telt den durch die LEDs fließenden Strom und stellt demnach die LED-Eingangsspannung ein.
Eine optionale Temperaturkompensationsschaltung kann verwen­ det werden, um die erwünschte Luminanz der LEDs als Funktion der Temperatur der LEDs aufrecht zu erhalten. Eine optionale Temperaturdrosselschaltung kann verwendet werden, um den LED- Strom zu verringern, wenn die LED-Temperatur einen Tempera­ turschwellenwert übersteigt. Die Temperaturdrosselschaltung kann die Lebenserwartungsdauer der LEDs erhöhen.
Eine derartige LED-Schaltung kann in Systemen zum Hinter­ leuchten von LCDs verwendet werden. Derartige Systeme können auch in Kraftfahrzeuganwendungen, Computeranwendungen, ein­ schließlich Laptop-Computern, persönlichen digitalen Assis­ tenten, in Zellentelefonen und dergleichen verwendet werden.
Ein Hinterleuchtungssystem mit mehreren LEDs, die in Reihe geschaltet sind, anstelle parallel geschaltet zu sein, zeich­ net sich durch eine geringere Energiedissipation aus. Derar­ tige Systeme können etwa 25% weniger Energiedissipation (-ableitung) aufweisen. Dies ist besonders wichtig für batte­ riebetätigte Vorrichtungen, wie Laptops, PDA, Zellentelefone u. dgl., und Vorrichtungen mit begrenzter Wärmedissipations­ fähigkeit.
Fig. 1 zeigt ein fehlertolerantes Reihen-LED-System 100. Das LED-System 100 kann eine Gruppierung von LEDs umfassen, die in Reihe geschaltet sind, und parallele Elemente, die paral­ lel zu den LEDs 110 geschaltet sind, einen Stromwächter bzw. -monitor 120, einen Spannungsumsetzer 108 und optionale Tem­ peraturdrosselungs- und Helligkeitsschaltungen. Die optiona­ len Temperaturdrosselungs- und Helligkeitsschaltungen können einen Temperatursensor 122, einen Verstärker 124, ein Anzei­ genluminanz-Mikroprozessor 102 und eine Temperaturdrossel­ schaltung 106 umfassen. Das LED-System 100 kann lediglich ei­ nige dieser Komponenten umfassen sowie andere Komponenten und/oder äquivalente Komponenten.
Die LED-Gruppierung 110 kann mehrere LEDs 116 und 118 umfas­ sen, die in Reihe geschaltet sind. Die LEDs können weiße oder farbige LEDs, wie etwa rote, grüne, blaue oder andersfarbige LEDs umfassen, oder eine Kombination unterschiedlicher Typen von LEDs. Während Fig. 1 lediglich zwei LEDs in der LED- Gruppierung 110 zeigt, kann die LED-Gruppierung 110 eine be­ liebige Anzahl von LEDs enthalten, beispielsweise zwei bis 50.000 LEDs oder mehr. Die parallelen Elemente 112 und 114 erbringen eine Fehlertoleranz für offene Stromkreise in den Reihen-LEDs. Ein offener Stromkreis kann hervorgerufen werden durch eine fehlerhafte LED, eine fehlerhafte Lötverbindung oder eine andere Störung. Die parallelen Elemente 112 und 114 sind jeweils parallel zu einer oder mehreren LEDs geschaltet, um Fehlertoleranz zu ermöglichen. Eine auf Saphir basierende LED weist Zener-Dioden auf, die in der Packung für elektro­ statische Entladeschutzzwecke enthalten sind. In einer ersten Ausführungsform ist jedes parallele Element 112 und 114 je­ weils parallel zu einer einzigen LED 116 und 118 geschaltet, wie in Fig. 1 gezeigt. In einer zweiten Ausführungsform sind einige der parallelen Elemente 112 und 114 parallel zu mehr als einer LED geschaltet. Beispielsweise kann jedes parallele Element parallel zu fünf LEDs geschaltet sein, so dass dann, wenn eine der fünf LEDs durch einen offenen Stromkreis aus­ fällt, das parallele Element den Strom um sämtliche fünf LEDs leiten. Dies erlaubt die Bereitstellung weniger paralleler Elemente; ein derartiges paralleles Element benötigt jedoch keinen hohen Spannungsabfall; dieser ist ungefähr fünfmal größer als bei den parallelen Elementen in der ersten Ausfüh­ rungsform. In weiteren Beispielen der zweiten Ausführungsform kann das parallele Element parallel zu zwei, drei, vier oder mehr LEDs geschaltet sein. Das parallele Element kann eine Zener-Diode oder ein anderer Schaltkreis sein. Ein paralleles Element und eine LED können als einzige Einheit gemeinsam verpackt bzw. zusammengestellt bzw. integriert sein. Bei­ spielsweise besitzen auf Saphir basierende LEDs Zener-Dioden, die in der Packung für elektrische Entladeschutzzwecke ent­ halten sind. Die LED-Gruppierung 110 kann mehrere derartige Packungen enthalten, die in Reihe geschaltet sind.
Das LED-System 100 kann mit verschiedenen Versorgungsspannun­ gen betrieben werden, beispielsweise von 1 Volt bis 45 Volt. Das LED-System 100 kann bei Kraftfahrzeugspannungspegeln be­ trieben werden, beispielsweise ungefähr 12 bis 14 Volt. Das LED-System 100 kann eine bandbegrenzte, niederelektromagneti­ sche Interferenzschaltung sein.
Wenn eine LED 116 oder 118 ausfällt, wird das parallele Ele­ ment 112 oder 114, das parallel zu der LED geschaltet ist, aktiviert und es leitet den Stromfluss um die ausgefallene LED herum und erlaubt es dadurch, dass die weitere LED kor­ rekt arbeitet. Diese Störung bzw. dieser Ausfall kann hervor­ gerufen sein durch einen LED-Ausfall bzw. eine LED-Störung, eine Lötverbindungsstörung oder eine andere Art von Ausfall. Die parallelen Element 112 und 114 können sich in einem nicht operativen Zustand befinden, bis die LED ausfällt. Die paral­ lelen Elemente 112 und 114 verbrauchen wenig oder keinen Strom, bis eine LED ausfällt. Sobald eine LED ausfällt bzw. gestört ist, wird das parallele Element 112 bzw. 114 akti­ viert.
Die parallelen Elemente 112 und 114 können einen Schaltkreis bzw. eine Schaltung, wie etwa eine Zener-Diode oder eine an­ dere Vorrichtung umfassen. Die parallelen Elemente 112 und 114 können miteinander in Reihe geschaltet sein oder sie kön­ nen einfach parallel zu einer oder mehreren LEDs geschaltet sein. Die parallelen Elemente 112 und 114 können in Gestalt einer beliebigen Schaltung oder beliebiger Schaltungen vor­ liegen, die geringen oder keinen Strom zu den LEDs 116 und 118 im normalen Betriebsspannungsbereich durchlassen und Strom bei Spannungen größer als diejenigen in diesem Bereich durchlassen. Beispielsweise kann es sich bei dem parallelen Elementen 112 und 114 um eine Zener-Diode mit einer Ein­ schaltspannung handeln, die höher ist als der normale Be­ triebsspannungsbereich für die LEDs 116 und 118. Alternativ kann es sich bei den parallelen Elementen 112 und 114 um ei­ nen Transistor handeln, der mit zwei Widerständen vorgespannt ist, um den Basis-Emitterübergang einzuschalten, wenn die Spannung vom Kollektor zur Basis den normalen Betriebsspan­ nungsbereich der LEDs 116 und 118 übersteigt.
Der Spannungsumsetzer 108 kann ein Hochspannungsumsetzer oder eine andere Vorrichtung sein, die eine einstellbare Ausgangs­ gleichspannung bereit stellt. Der Spannungsumsetzer 108 stellt die Ausgangsspannung derart ein, dass der Strom durch die LEDs 116 und 118 im Wesentlichen konstant, proportional zu dem befohlenen Stromsignal, ist. D. h., der LED-Strompegel ändert sich, wenn die Anzeigeluminanz geändert wird. Der Spannungsumsetzer 108 erzeugt eine Ausgangsspannung als Funk­ tion einer Versorgungsspannung 104, ein Stromflusssignal von dem Stromwächter 120 und/oder ein befohlenes LED-Stromsignal von dem Anzeigendominanz-Mikroprozessor 102, modifiziert durch eine optionale Temperaturdrosselschaltung 106.
Der Mikroprozessor 102 ermittelt den korrekten LED-Strom, der der vom Nutzer befohlenen Luminanz entspricht. Der Mikropro­ zessor 102 modifiziert den LED-Strom als Funktion der LED- Temperatur, um LED-Wirkungsgradänderungen Rechnung zu tragen, wenn die LED-Temperatur sich ändert. Die Temperaturdrossel­ schaltung 106 kann optional den LED-Strom drosseln, wenn die LED-Temperatur zu hoch wird. In einem System 100 mit sowohl einer Temperaturkompensationsschaltung, beispielsweise dem Mikroprozessor 102, wie einer Temperaturdrosselschaltung 106, kann die Temperaturdrosselschaltung 106 den befohlenen Strom­ wert von dem Mikroprozessor 102 vorrangig überlagern, wenn die LED-Temperatur zu hoch wird.
Der Spannungsumsetzer 108 kann einen Impulsbreitenmodulati­ onswandler-Steuereinheit-IC, einen Digitalsignalprozessor (DSP) oder eine andere Art einer Schaltung enthalten. Der Spannungsumsetzer 108 stellt für die LEDs Strom bereit, um die LEDs mit einem befohlenen Strom zu treiben, der durch den Mikroprozessor 102 erzeugt wird. Der Spannungsumsetzer 108 kann ein Stromflusssignal nutzen, das als Stromrückkopplungs­ signal bezeichnet wird, und zwar von dem Stromwächter 120, um den befohlenen Strompegel aufrecht zu erhalten. Wenn die LED- Gruppierung 110 einen offenen Stromkreis auf Grund einer LED- Störung oder eines LED-Ausfalls oder einer LED-Lötverbin­ dungsstörung aufweist, ermittelt der Spannungsumsetzer 108, dass die Schaltung von keinem Strom durchflossen ist und er­ höht die Spannung, ggf. unter Erzeugung einer Überspannungs­ bedingung. Die parallelen Elemente 112 und 114 tragen dazu bei, eine derartige Überspannungsbedingung in dem Spannungs­ umsetzer 108 zu verhindern, indem sie einen Umgehungspfad be­ reit stellen.
Der Stromwächter 120, auch als Stromabtastschaltung oder LED- Stromabtastwiderstand bezeichnet, stellt für den Spannungsum­ setzer 108 ein Stromflusssignal bereit. Der Spannungsumsetzer 108 nutzt dieses Signal zum Ermitteln der optimalen Spannung für die Zufuhr zu den LEDs, um den gewünschten LED-Strom auf­ recht zu erhalten. Da die optimale LED-Spannung als Funktion der Temperatur und von Vorrichtung zu Vorrichtung variiert, muss die Luminanz abgetastet werden, um den LED-Strom zu er­ mitteln, der proportional zur LED-Luminanz ist. Wenn eine LED sich erwärmt, erzeugt die LED üblicherweise weniger Luminanz für einen festen Stromfluss durch die LED. Die LED neigt da­ zu, mehr Luminanz zu erzeugen, wenn mehr Strom durch die LED fließt. Der Stromwächter 120 kann ein Widerstand sein, der zwischen die Reihen-LEDs und Masse geschaltet ist. Das Signal von der Stromabtastschaltung kann der Stromabfall über dem Widerstand sein.
Wenn eine LED 116 ausfällt und dadurch einen offenen Strom­ kreis in der Reihen-LED-Schaltung erzeugt, und zwar entweder dadurch, dass eine LED durchbrennt oder durch einen offenen Stromkreis, oder auf Grund einer Lötverbindungsstörung, zeigt das Stromflusssignal von dem Stromwächter 120 an, dass ein offener Stromkreis vorliegt. Der Spannungsumsetzer 108 erhöht daraufhin die Ausgangsspannung, um zu versuchen, den ge­ wünschten Strom durch die LEDs 116 und 118 aufrecht zu erhal­ ten. Wenn die Ausgangsspannung des Spannungsumsetzer 108 er­ höht wurde, schaltet das parallele Element 112, das parallel zu der Störung geschaltet ist, ein und stellt eine Stromumge­ hung für den Ausfall bzw. die Störung bzw. die ausgefallene LED bereit. Durch Umgehen der Störung setzt die verbleibende LED 118 ihren korrekten Betrieb fort. Während ein LED-Ausfall durch einen Kurzschluss eine eher unwahrscheinliche Störung darstellt, verhindert eine derartige Störung nicht, dass die weitere LED bei der gewünschten Luminanz verbleibt. Der Stromwächter 120 kompensiert die verringerte Last, wenn eine LED kurzschließt. Die Helligkeit der anderen LED ist damit unbeeinträchtigt durch die kurzgeschlossene oder offene LED.
Da die Luminanz bzw. der Wirkungsgrad der LEDs sich als Funk­ tion der Temperatur ändert, ist ein Temperaturkompensations­ system erwünscht, um die gewünschte Luminanz über eine Be­ reich von Temperaturen aufrecht zu erhalten. Da die Beziehung zwischen der LED-Luminanz und -Temperatur nicht unbedingt li­ near ist, kann ein Anzeigeluminanz-Mikroprozessor 102, auch als Temperaturkompensationsschaltung bezeichnet, verwendet werden, um die LED-Luminanz exakter zu steuern. Das Aufrecht­ erhalten einer konsistenten LED-Luminanz ist besonders wich­ tig für Anwendungen während der Nachtzeit, wie etwa in Kraft­ fahrzeugen, in Laptop-Computern, in persönlichen digitalen Assistenten und in Zellentelefonen. Außerdem kann, wenn die LED-Temperatur zunimmt, die LED-Lebensdauererwartung abneh­ men.
Das optionale Temperaturdrosselsystem kann einen Temperatur­ sensor 122, einen Verstärker 124 und/oder eine Temperatur­ drosselschaltung 106 umfassen. Alternativ kann die Drossel­ funktion durch den Mikroprozessor 102 bereit gestellt werden. Wenn die LED-Temperatur einen Temperaturschwellenwert über­ steigt, verringert die Temperaturdrosselschaltung 106 den Strom, der durch die LEDs fließt, um ein LED-Ausbrennen zu verhindern.
Der Temperatursensor 122, auch als LED-Temperaturerfassungs­ vorrichtung, als Temperaturwiderstand oder Temperaturüberwa­ chungsschaltung bezeichnet, kann eine temperaturempfindliche Vorrichtung sein, die thermisch und/oder elektrisch mit einem Kathodenanschluss an der LED verbunden ist. Der Temperatur­ sensor 122 kann die Lötmitteltemperatur in der Nähe des Ka­ thodenanschlusses messen. Die LED-Temperatur kann von der Lötmitteltemperatur beeinflusst sein. Diese Temperatur kann verwendet werden, um die LED-Gruppierung zu kompensieren und/oder zu drosseln. Die Lötmitteltemperatur kann in eine Umgebungstemperatur umgesetzt werden, die verwendet werden kann, um die LED, ausgehend von der Spezifikation der LED zu drosseln. Das Temperatursignal kann zu dem Verstärker 124 übertragen werden, daraufhin zu dem Anzeigeluminanz-Mikro­ prozessor 102 und zu der Temperaturdrosselschaltung 106. Der Anzeigeluminanz-Mikroprozessor 102 überträgt ein "Befehls­ strom"-Signal zu der Temperaturdrosselschaltung 106 auf Grundlage des verstärkten Temperatursignals.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer Reihen-LED-Steuerschal­ tung 200. Die LED-Steuerschaltung 200 stellt den den LEDs 210 bereit gestellten Strom auf Grundlage der LED-Temperatur ein. Wenn die LED sich erwärmt, nimmt die Helligkeit beim selben Strom ab. Um eine konstante Helligkeit aufrecht zu erhalten, wenn eine LED sich erwärmt, muss der LED-Strom erhöht werden. Da die Beziehung zwischen der Temperatur und der LED- Helligkeit nicht linear ist, kann eine Softwarelösung er­ wünscht sein.
Ein befohlenes Helligkeitssignal 202 bzw. Helligkeitsbefehls­ signal, das die gewünschte Helligkeit der LED 210 anzeigt, wird durch den Mikroprozessor 204 empfangen. Der Mikroprozes­ sor 204 verwendet daraufhin ein digitales Temperatursignal von dem A/D-Wandler 216, um den geeigneten Temperaturkorrek­ turfaktor aus der Temperaturkorrekturfaktortabelle 206 zu er­ mitteln. Der Mikroprozessor 204 überträgt ein Helligkeitsein­ stellsignal bzw. ein eingestelltes Helligkeitssignal zu der Reihen-LED-Treiberschaltung 208. Das eingestellte Hellig­ keitssignal kann ein PWM-Signal sein. Die Temperatur der LED 210 wird durch einen Wärmewiderstand 210, mit "Rt." bezeich­ net, gemessen. Die Temperaturkompensations- und -steuerschal­ tung 214 empfängt die Temperaturmessung von dem wärmempfind­ lichen Widerstand 212. Das Temperatursignal wird daraufhin durch einen A/D-Wandler 216 in ein digitales Signal gewandelt und zu dem Mikroprozessor 204 übertragen.
Fig. 3 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform ei­ nes Reihen-LED-Systems. Das LED-System 300 kann eine LED- Gruppierung 306, einen Spannungsumsetzer 304, eine Hellig­ keitssteuerschaltung 308, eine Temperaturdrosselschaltung 310 und eine Temperaturüberwachungsschaltung 312 enthalten.
Die Helligkeitssteuerschaltung 308 empfängt ein Helligkeits­ signal am Knoten 302 und steuert die Helligkeit der LED- Gruppierung 306. Das Helligkeitssignal kann ein gewünschter Helligkeitspegel für die LED-Gruppierung 306 sein, beispiels­ weise für die Tageszeithelligkeit oder die Nachtzeithellig­ keit in einer Kraftfahrzeugradioanzeige. Der Operationsver­ stärker U2 ist als Differenzverstärker konfiguriert, bei dem die Verhältnisse der Widerstände im Wesentlichen ausgeglichen sind. D. h., es gilt: R12/R11 = R10/R9. Wenn die Verhältnisse der Operationsverstärkerwiderstände R12/R11 und R10/R9 beide im Wesentlichen gleich eins sind, beträgt die Differenzver­ stärkung des Operationsverstärkers U2 im Wesentlichen eins.
Der Eingangsknoten 302 der LED-Schaltung 300 kann ein Ein­ gangssignal von einem Mikroprozessor oder einer anderen Steu­ ereinheit empfangen. Bei dem Eingangssignal kann es sich um ein impulsbreitenmoduliertes ("PWM"-)Signal, ein Gleichspan­ nungssignal oder eine andere Signalart handeln. Ein PWM- Eingangssignal steuert die Intensität der LED auf Grundlage des Einschaltdauerzyklus und/oder des Spannungspegels des Eingangssignals. Wenn der Einschaltdauerzyklus des Eingangs­ signals größer wird, werden die LEDs üblicherweise heller. Ein Gleichspannungseingangssignal steuert die Intensität der LED auf Grundlage des Spannungspegels des Eingangssignals. Wenn der Spannungspegel am Eingangsknoten 302 wächst, werden die LEDs üblicherweise heller.
Die Spannungsdrosselschaltung 310 drosselt den Strom, der der LED-Gruppierung 306 zugeführt wird, wenn die LED-Temperatur über einen Schwellenwert hinaus ansteigt. Das Drosseln des Stroms der LED-Gruppierung 306 verlängert die Lebensdauerer­ wartung der LEDs. Das Ausgangssignal des Operationsverstär­ kers U4 liegt im Wesentlichen auf Masse, wenn keine Tempera­ turdrosselung erforderlich ist, und der Operationsverstärker U2 leitet das Helligkeitssignal von dem Eingangsknoten 302 mit der Verstärkung, die festgelegt ist durch die Verhältnis­ se der Widerstände R9-R12, bei der es sich um die Verstärkung eins handeln kann, weiter. Das Helligkeitssignal kann eine stabile Gleichspannung, ein impulsbreitenmoduliertes Signal oder eine andere Art eines Signals sein.
Der Drosseloperationsverstärker U4 arbeitet normalerweise in einer Schienen-Schienenbetriebsart (rail-to-rail-Betriebs­ art). Wenn die LED-Gruppierung 306 in einem normalen Be­ triebstemperaturbereich arbeitet, liegt das Ausgangssignal des Drosseloperationsverstärkers U4, Temperaturdrosselpegel genannt, im Wesentlichen auf Masse. Wenn die Temperatur der LED-Gruppierung 306 ansteigt, nimmt der Temperaturdrosselpe­ gel zu, nachdem eine vorbestimmte LED-Schwellentemperatur er­ reicht ist. Da der thermische Transistor bzw. Wärmetransistor RT1 thermisch mit derselben Wärmeebene bzw. thermischen Ebene verbunden ist, diejenige, mit der die LED-Gruppierung 306 wärmeableitmäßig verbunden ist, variiert der Widerstand des Wärmetransistors RT1 als Funktion der Temperatur des Lötmit­ tels in der Nähe der Kathodenanschlüsse der LED. Der Wärme­ transistor RT1, auch als Temperatursensor bezeichnet, weist einen Widerstand bzw. einen spezifischen Widerstand auf, der als Funktion der gemessenen Temperatur variiert. Beispiels­ weise kann der Wärmetransistor RT1 ein Modell KT230 von Infi­ neon Technology AG sein. Das Modell KT230 ist ein temperatur­ abhängiger Widerstand mit einer Widerstandstoleranz von +/- 3% bei 1.000 Ohm, einem Temperaturbereich von -50 Grad Cel­ sius bis + 150 Grad Celsius, und er ist als SMD oder in le­ gierter oder auf Kundenwünsche zugeschnittener Verpackung verfügbar. Das Modell KT230 weist ein lineares Ausgangssig­ nal, einen positiven Temperaturkoeffizienten, Langzeitstabi­ lität und schnelle Ansprechzeit auf, und es ist polaritäts­ unabhängig auf Grund symmetrischer Konstruktion. Weitere, üb­ licherweise verfügbare Temperatursensoren, wie die Modelle LM135 und LM50 von der National Semiconductor Inc., können ebenfalls verwendet werden.
Wenn der Operationsverstärker U2 eine Ausgangsspannung emp­ fängt, die größer ist als null Volt von dem Drosseloperati­ onsverstärker U4 über den Widerstand R11, wirkt die Ausgangs­ spannung als negativer Offset für die Eingangsspannung am Eingangsknoten 302. Die LEDs leuchten daraufhin weniger hell, wenn die Temperatur ansteigt. Wenn beispielsweise das Hellig­ keitssignal am Eingangsknoten 302 fünf Volt Gleichspannung beträgt, und wenn der Temperaturdrosselpegel 1,5 V beträgt, beträgt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers U2 im Wesentlichen 3,5 V. Die Temperaturdrosselschaltung 310 kann die LED-Gruppierung 306 abschalten, wenn die gemessene Tempe­ ratur einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert erreicht.
Die Temperaturüberwachungsschaltung 312 stellt am Knoten 310 ein Temperaturausgangssignal bereit, das eine Temperatur an­ zeigt, die mit der LED-Gruppierung 306 verbunden ist. Das LED-Temperaturausgangssignal kann eine Funktion der LED- Temperatur, gemessen durch den Wärmewiderstand RT1 sein. Der Wärmewiderstand RT1 kann für die Temperaturüberwachungsschal­ tung 312 und die Temperaturdrosselschaltung 310 eingesetzt werden. Der Temperaturüberwachungsverstärker U3 überwacht ei­ ne Spannungsdifferenz zwischen einer ersten Spannungsteiler­ schaltung R19 und R20 und einer zweiten Spannungsteilerschal­ tung R17 und RT1. Der Ausgang des Temperaturüberwachungsver­ stärkers U3 ist mit dem Ausgangsknoten 310 verbunden.
Nunmehr wird eine beispielhafte Ausführungsform der LED- Schaltung erläutert.
Das LED-System 300 von Fig. 3 kann die in Tabelle 1 aufge­ führten Bestandteile umfassen. Andere Arten von Bestandteilen und Bestandteile mit anderen Werten können ebenfalls in dem LED-System 300 zum Einsatz kommen, wie sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließt.
Tabelle 1
Als nächstes wird ein Verfahren zum Steuern von LEDs erläu­ tert. In Fig. 4 ist ein Verfahren 400 zum Steuern einer Rel­ hen-LED-Gruppierung dargestellt. Im Kasten 402 wird die Tem­ peratur der LED-Gruppierung überwacht. Im Kasten 404 werden die LEDs temperaturkompensiert. Der Strom zu der LED- Gruppierung wird als Funktion der überwachten Temperatur ein­ gestellt, um eine konsistente LED-Luminanz aufrecht zu erhal­ ten. Dann, wenn die LED-Temperatur steigt, die Luminanz der LED abnimmt, muss dann, wenn die LED-Temperatur ansteigt, der Strom durch die LED erhöht werden, um konsistente Luminanz aufrecht zu erhalten.
Im Kasten 406 werden die LEDs temperaturgedrosselt. Wenn die LED-Temperatur einen Temperaturschwellenwert, beispielsweise 55 Grad Celsius übersteigt, wird der Eingangsstrom zu der LED-Gruppierung verringert. Der Temperaturschwellenwert kann, abhängig von der Art der LED, der Anwendung und anderen Be­ langen, variieren. Das Temperaturdrosseln verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die LED durchbrennt, und es kann nur dann eingesetzt werden, wenn der LED ein Ausbrennen unmittel­ bar bevorsteht. Das Verfahren 400 kann konstant oder perio­ disch ablaufen gelassen werden. Abschnitte des Verfahrens 400 können mit Hardware, Software oder einer Kombination aus Hardware und Software durchgeführt werden.
Im Folgenden wird die Anwendung des LED-Hinterleuchtungs­ systems erläutert.
Die LED-Vorrichtungen und -Systeme, die vorstehend erläutert sind, können in unterschiedlichen Systemen zum Einsatz gelan­ gen, einschließlich einer LED-Hinterleuchtungsanzeigeein­ heit, die für eine Kraftfahrzeuganwendung ausgelegt ist. Eine Hinterleuchtungsanzeigeeinheit kann eine Flüssigkristallan­ zeige, mehrere lichtemittierende Dioden, die in Reihe ge­ schaltet sind, und mehrere parallel geschaltete Elemente pa­ rallel zu den lichtemittierenden Dioden derart aufweisen, dass der Strom um die lichtemittierende Diode herumgeleitet wird, wenn ein Ausfall vorliegt, oder wenn ein Ausfall einen offenen Stromkreis umfasst.
Dem Fachmann erschließen sich zahlreiche Abwandlungen und Mo­ difikationen an den vorstehend erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die sämtlich im Umfang der an­ liegenden Ansprüche liegen.

Claims (26)

1. LED-Vorrichtung, aufweisend:
Mehrere lichtemittierende Dioden, die in Reihe geschal­ tet sind,
mehrere parallele Elemente, die parallel zu den mehreren LEDs geschaltet sind,
einen Stromwächter, der mit den mehreren LEDs verbunden ist und die Höhe des Stroms misst, der, von den mehreren LEDs ausgehend, fließt, und der ein Stromflusssignal er­ zeugt, und
einen Spannungsumsetzer, der einen Strom den mehreren LEDs als Funktion des Stromflusssignals und eines Strom­ befehlssignals zuführt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Strombefehlssig­ nal ein Gleichstromsignal umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Strombefehlssig­ nal ein impulsbreitenmoduliertes Signal umfasst.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Strombefehlssig­ nal durch einen Mikroprozessor erzeugt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren paralle­ len Elemente mehrere Zener-Dioden umfassen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein paralleles Ele­ ment parallel zu einer LED geschaltet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein paralleles Ele­ ment parallel zu mehreren LEDs geschaltet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, außerdem aufweisend:
einen Temperatursensor, der eine Temperatur misst, die zumindest einer der mehreren LEDs zugeordnet ist, und der ein Temperatursignal erzeugt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, außerdem aufweisend:
eine Temperaturdrosselschaltung, die den Strom zu den mehreren LEDs verringert, wenn das Temperatursignal ei­ nen Temperatursignalschwellenwert übersteigt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Temperaturdros­ selschaltung das Strombefehlssignal so einstellt, dass der Spannungsumsetzer den mehreren LEDs weniger Strom zuführt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Temperatursensor eine Lötstellentemperatur in der Nähe einer LED misst.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der lineare Tempera­ tursensor einen temperaturabhängigen Widerstand umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei ein Anschluss des temperaturabhängigen Widerstands und ein Kathodenan­ schluss einer LED thermisch miteinander verbunden sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Temperaturdros­ selschaltung einen Mikroprozessor umfasst.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Temperaturdros­ selschaltung dem Spannungsumsetzer als Funktion einer gemessenen Temperatur und einer Temperaturkorrekturfak­ tortabelle ein Signal bereit stellt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 8, außerdem aufweisend:
Eine Temperaturkompensationsschaltung, die den Strom zu den mehreren LEDs als Funktion der gemessenen Temperatur einstellt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Temperaturkom­ pensationsschaltung den Strom zu den mehreren LEDs der­ art einstellt, dass die mehreren LEDs eine im Wesentli­ chen konsistente Leuchtintensität aufweisen, wenn die gemessene Temperatur steigt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die LED-Steuerein­ richtung eine bandbegrenzte Schaltung mit niedriger elektromagnetischer Interferenz ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren paralle­ len Elemente parallel zu den mehreren LEDs geschaltet sind, so dass der Strom um die LED bei einem Ausfall derselben herumgeleitet wird, wobei der Ausfall ein of­ fener Stromkreis ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren LEDs da­ zu ausgelegt sind, eine Aktivmatrix-Flüssigkristallan­ zeige zu hinterleuchten.
21. Anzeigeeinheit zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, aufwei­ send:
Eine Flüssigkristallanzeige, und
eine Hinterleuchtungsgruppierung, die aus mehreren LEDs in Reihenschaltung und mehreren parallelen Elementen be­ steht, die parallel zu den LEDs geschaltet sind, so dass der Strom um eine lichtemittierende Diode herumgeleitet wird, wenn diese ausfällt, wobei der Ausfall einen offe­ nen Stromkreis umfasst.
22. Anzeigeeinheit nach Anspruch 21, außerdem aufweisend:
Eine Temperaturdrosselschaltung, die elektrisch mit der Hinterleuchtungsgruppierung verbunden ist, wobei die Temperaturdrosselschaltung die Temperatur einer LED misst und den Strom verringert, der der Hinterleuch­ tungsgruppierung zugeführt wird, wenn die Temperatur der LED einen Schwellenwert übersteigt.
23. Anzeigeeinheit nach Anspruch 22, außerdem aufweisend:
Eine Temperaturkompensationsschaltung, die mit der Hin­ terleuchtungsgruppierung elektrisch verbunden ist, wobei die Temperaturkompensationsschaltung die Temperatur der LED misst und den Strom einstellt, der der Hinterleuch­ tungsgruppierung zugeführt wird, und zwar als Funktion der LED-Temperatur, so dass die mehreren LEDs im Wesent­ lichen konsistente Leuchtintensität besitzen, wenn die Temperatur der LED ansteigt.
24. Anzeigeeinheit nach Anspruch 23, außerdem aufweisend:
Eine auf einem Mikroprozessor basierende LED- Steuereinheit, die ein impulsmoduliertes Signal bereit stellt, das die Intensität der LED-Gruppierung steuert.
25. Verfahren zum Steuern einer Reihenschaltungs-LED- Gruppierung, aufweisend:
Überwachen der Temperatur der LED-Gruppierung an einem Knoten, der mit einer LED verbunden ist, und
Einstellen eines Eingangsstroms zu der LED-Gruppierung als Funktion der Temperatur.
26. Verfahren nach Anspruch 27, außerdem aufweisend:
Überwachen des Stroms von der LED-Gruppierung, und
Einstellen der Eingangsspannung als Funktion des Stroms.
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