DE102011009607A1

DE102011009607A1 - Verfahren zum Bertreiben einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden

Info

Publication number: DE102011009607A1
Application number: DE102011009607A
Authority: DE
Inventors: Martin John
Original assignee: Dilitronics GmbH
Current assignee: Dilitronics GmbH
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2011-12-29
Also published as: EP2589263A1; WO2012000695A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden (LED), wobei die Anordnung mehrere parallel geschaltete Stränge mit jeweils mindestens einer LED je Strang sowie einen Treiber aufweist und die Ansteuerung der LED's mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt. Erfindungsgemäß wird für jeden Strang je PWM-Zyklus eine mehrfache Strommessung vorgenommen und hieraus der momentan fließende Pulsstrom ermittelt, um beim Abweichen vom Sollstrom die Spannung im Strang nachzuregeln. Weiterhin wird eine Messung der Spannung über der LED im Strang durchgeführt und aus einer Änderung der derart gemessenen oder aus der Nachregelung ermittelten Vorwärtsspannung unter Nutzung der typischen LED-Kennlinie die momentane Temperatur des p-n-Übergangs der jeweiligen LED bestimmt, so dass eine drohende thermische Überlastung erkannt und vermieden werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden (LED), wobei die Anordnung mehrere parallel geschaltete Stränge mit jeweils mindestens einer LED je Strang sowie einen Treiber aufweist und die Ansteuerung der LED's mittels Pulsweitenmodulation erfolgt, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der Appliaktionsschrift OSTAR-Lightning der Opto Semiconductors, Mai 2006, sind LED-Module bekannt, welche je nach Modultyp 4 bis 6 auf eine Keramik montierte, hocheffiziente Halbleiterchips umfassen. Die Keramik ist zur optimalen Wärmeleitung direkt auf das Aluminium einer isolierten Metallkernplatte montiert. Durch das vorbekannte Design und den Aufbau weist die Lichtquelle einen sehr geringen Wärmewiderstand auf. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Trägerboard mit einem Temperaturmesswiderstand, z. B. einem NTC-Widerstand zu versehen. Hieraus soll in Näherung eine Temperaturüberwachung der LED's zum Zweck der Verbesserung des Ansteuerungsverfahrens erreicht werden. Dabei ist jedoch die Temperaturmessung und deren Genauigkeit abhängig von der konkreten Anordnung und der thermischen Kopplung des Temperaturmesselementes bezüglich der wärmeproduzierenden p-n-Übergänge der entsprechenden LED's.
Aus der WO 2009/000475 A2 ist ein System und ein Verfahren zur Erfassung der Kennlinien von lichtemittierenden Dioden (LED's) vorbekannt.
Gemäß der dortigen Lehre soll zur Vermeidung von Schäden an den Dioden deren Charakteristik ermittelt werden. Hierfür sind Erfassungsmittel für den Strom durch die Leuchtdiodenanordnung sowie den Spannungsabfall über der Leuchtdiodenanordnung vorgesehen. Weiterhin sind Mittel zur Ermittlung der Anzahl und/oder Farbe der Leuchtdioden notwendig. Die Ermittlung der Anzahl und/oder der Farbe der Leuchtdioden soll anhand des dynamischen Widerstandes der Leuchtdiodenanordnung und/oder der Temperaturabhängigkeit der U-I-Kennlinie erfolgen.
Die WO 2009/000475 A2 schlägt auch eine Steuereinheit vor, die so ausgelegt ist, dass der Diodenstrom und die Spannung über der Leuchtdiodenanordnung erfassbar ist, und wobei bei einer ersten Temperatur der Leuchtdiodenanordnung ein erstes Strom-/Spannungspaar und ein davon verschiedenes zweites Strom-/Spannungspaar ermittelt und danach bei zumindest einer zweiten Temperatur der Leuchtdiodenanordnung ein drittes Strom-/Spannungspaar und ein davon verschiedenes viertes Strom-/Spannungspaar erfasst wird. Mit dem bekannten Temperaturkoeffizienten soll dann aus bei gleichem Stromfluss und unterschiedlichen Temperaturen gemessenen Flussspannungen die aktuelle Temperatur der betreffenden lichtemittierenden Diode berechenbar sein. Zusätzlich schlägt die WO 2009/000475 A2 die Anordnung eines Temperatursensors in der Nähe der lichtemittierenden Dioden vor.
Bei Steuerschaltungen auf der Basis von Konstantstromtreibern ist die in der WO 2009/000475 A2 dargelegte Lehre der Ermittlung von Strom-/Spannungspaaren und dem Ableiten der LED-Temperatur relativ einfach umsetzbar. Dies ist jedoch dann nicht ohne Weiteres übertragbar auf Treiberschaltungen, die auf eine spannungsgesteuerte Lösung zurückgreifen.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von Lichtemittierenden Dioden anzugeben, wobei die Anordnung mehrere parallel geschaltete Stränge mit jeweils mindestens einer LED je Strang sowie einen Treiber aufweist und die Ansteuerung der LED's mittels Pulsweitenmodulation erfolgt. Dabei soll mit dem zu schaffenden Verfahren ein sicherer Betrieb der LED's ohne Überhitzung realisiert werden und die Bereitstellung ansonsten notwendiger spezifischer Sensorik zur Temperaturmessung entfallen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Lehre des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beim Betreiben einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden (LED) wird zunächst von einer Vielzahl parallel geschalteter Stränge ausgegangen, wobei jeder Strang mindestens eine oder mehrere in Serie geschaltete LED's umfasst. Die Ansteuerung der LED's in den Strängen erfolgt durch Pulsweitenmodulation.
Für jeden Strang wird in jedem Pulsweitenmodulations-Zyklus eine mehrfache Strommessung vorgenommen. Hieraus wird der momentan fließende Pulsstrom ermittelt. Beim Abweichen des momentan fließenden Pulsstromes von einem vorgegebenen Sollstrom wird die Betriebsspannung im Strang nachgeregelt. Zusätzlich erfolgt eine Messung der Spannung über der LED im Strang oder es wird die Spannung aus der Nachregelung ermittelt. Aus einer Änderung der derart gemessenen oder ermittelten Vorwärtsspannung wird unter Nutzung bekannter, typspezifischer LED-Kennlinien die momentane Temperatur des p-n-Übergangs der jeweiligen LED bestimmt, so dass eine drohende thermische Überlastung erkannt und durch Eingriff in die Regelung vermieden werden kann.
Ausgestaltend erfolgt die mehrfache Strommessung in jedem PWM-Zyklus in gleichen Takten oder Zeitabständen, wobei hieraus die jeweilige Ladungsmenge bestimmt und diese für den jeweiligen PWM-Zyklus integriert wird. Im Ergebnis der Integration stellt sich die im jeweiligen Strang fließende Gesamtladungsmenge dar, die für die Helligkeit der im Strang befindlichen LED repräsentativ ist.
Die Helligkeit der jeweiligen LED im jeweiligen Strang lässt sich durch ein Integrationsschwellwert der Ladungen steuern.
Der vorstehend erläuterte Integrationsprozess beginnt mit jedem PWM-Zyklus erneut.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Strommessungen indirekt über einen Shunt je Strang vorgenommen, wobei der Shunt der jeweiligen LED im jeweiligen Strang in Serie geschalten ist. Aus der Größe des Widerstandswertes des Shunts und der über dem Shunt abfallenden Spannung ist der fließende Strom bestimmbar.
Ausgehend von einer ersten Messung bei Inbetriebnahme des jeweiligen Strangs erfolgt erfindungsgemäß eine Ermittlung der relativen Temperaturänderung des jeweiligen p-n-Übergangs der jeweiligen Diode.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden, welche erfindungsgemäß ausgestaltet wurde, geht aus von der Lehre der DE 10 2006 035 601 A1 , auf die diesbezüglich vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Die Messung des Stroms durch den jeweiligen Strang erfolgt für jeden Strang über einen mit der jeweiligen Diode in Serie geschalteten Messwiderstand, d. h. einen sogenannten Shunt. Auf diese Weise kann eine fortlaufende Messung erfolgen, ohne dass ein Abschalten weiterer Kanäle erforderlich ist.
Die LED's der jeweiligen Stränge werden im Pulsweitenmodulationsverfahren betrieben.
Die Strommessung erfolgt bis zu 1023-fach pro PWM-Zyklus, wodurch eine Ladungsbestimmung möglich ist, aufgrund der Tatsache, dass die Zeitdifferenz zwischen den einzelnen Messzeitpunkten konstant gehalten wird.
Durch die Integration, d. h. Summierung aller gemessenen Ladungen innerhalb eines PWM-Zyklus lässt sich die Gesamtladungsmenge durch die jeweils angeschlossenen lichtemittierenden Dioden eines Strangs bestimmen.
Für jeden Integrationsvorgang kann mit dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren die Vorgabe von unterschiedlichen Schwellwerten erfolgen, bei dessen Erreichen der jeweils zugehörige Strang abgeschalten wird.
Die Helligkeit der lichtemittierenden Dioden eines jeweiligen Strangs lässt sich so durch den Integrationsschwellwert steuern, weil die Ladungsmenge exakt der Anzahl der Elementarladungen ist, die in der jeweiligen lichtemittierenden Diode durch Rekombination von Elektronen zu Photonen umgesetzt werden.
Mit Beginn eines neuen PWM-Zyklus startet der vorerwähnte Integrationsprozess erneut. Die effektive Pulsbreite, bei der ein Strang betrieben wird, kann mit jeder Periode variieren, so dass eine sehr schnelle Reaktion auf Änderungen im Strang möglich ist. Auch kann in der vorbeschriebenen Weise der momentane Pulsstrom ermittelt werden. Wird ein vorgegebener momentaner Pulsstrom überschritten, besteht die Möglichkeit, bei dem Einsatz regelbarer Netzteile die Spannung absenken oder den jeweiligen Strang abzuschalten, um die entsprechenden LED's vor Zerstörung zu bewahren.
Für den Betrieb von lichtemittierenden Dioden ist die momentane Junction-Temperatur des p-nN-Übergangs von besonderer Bedeutung. Durch die Kenntnis dieser Temperatur lässt sich eine Überhitzung des Halbleiters frühzeitig erkennen und eine nicht reversible Zerstörung der LED's verhindern.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Junction-Temperatur indirekt, d. h. ohne spezifische Sensorik, ermittelt.
Hierbei wird auf die relative Vorwärtsspannung der entsprechenden LED's zurückgegriffen. Eine entsprechende Kennlinie, die den Verlauf der relativen Vorwärtsspannung und deren Änderungen über die Temperatur zeigt, steht üblicherweise herstellerseitig zur Verfügung. Diese datenblatt-relevante Kennlinie beschreibt die relative Verschiebung der LED-Kennlinien in Abhängigkeit von der jeweiligen Junction-Temperatur bei gleichbleibendem Strom.
Erfindungsgemäß wird über die ermittelten Flussspannungsänderungen auf die Junction-Temperatur rückgeschlossen und hieraus eine Größe zum regelungsseitigen Eingriff abgeleitet.
Bei dem erläuterten PWM-Betriebsverfahren kann der Pulsstrom aktuell und strangbezogen ermittelt werden, so dass bei einer Abweichung vom Sollstrom die Spannung entsprechend nachregelbar ist. Das diesbezügliche Verfahren stellt einen spannungsgeregelten Konstantpulsstrom sicher. Unter Rückgriff auf die bekannte Kennlinie der relativen Vorwärtsspannung über die Temperatur besteht die Möglichkeit, die relative Temperaturänderung seit der ersten Messung abzuleiten. Über die Korrelation von Flussspannung und Temperatur kann mit einer einmaligen Messung des entsprechenden Wertepaares eine Aussage zur jeweils aktuellen, absoluten Temperatur getroffen werden. Diese Aussagen zur jeweiligen Temperatur und Zustand können sehr schnell, d. h. zeitnah gewonnen werden. Verzögerungen, wie bei der Temperaturermittlung durch räumlich entfernt angeordnete Sensoren unvermeidlich, entfallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/000475 A2 [0003, 0005, 0005, 0006]
DE 102006035601 A1 [0017]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden (LED), wobei die Anordnung mehrere parallel geschaltete Stränge mit mindestens jeweils einer LED je Strang sowie einen Treiber aufweist und die Ansteuerung der LED's mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Strang je PWM-Zyklus eine mehrfache Strommessung vorgenommen und hieraus der momentan fließende Pulsstrom ermittelt wird, um beim Abweichen vom Sollstrom die Spannung im Strang nachzuregeln, weiterhin eine Messung der Spannung über der LED im jeweiligen Strang durchgeführt oder aus der Nachregelung ermittelt und aus einer Änderung der derart gemessenen Vorwärtsspannung unter Nutzung der typspezifischen LED-Kennlinie die momentane Temperatur des p-n-Übergangs der jeweiligen LED bestimmt wird, so dass eine drohende thermische Überlastung erkannt und vermieden werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfache Strommessung in jedem PWM-Zyklus in gleichen Takten oder Zeitabständen erfolgt, wobei hieraus die jeweilige Ladungsmenge bestimmt und diese für den jeweiligen PWM-Zyklus integriert wird derart, dass die im jeweiligen Strang fließende Gesamtladungsmenge für die Helligkeit der im Strang befindlichen LED repräsentativ ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeit der jeweiligen LED durch einen Integrationsschwellwert der Ladungen steuerbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrationsprozess mit jedem PWM-Zyklus erneut zu laufen beginnt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessungen indirekt über einen Shunt erfolgen, der der jeweiligen LED im jeweiligen Strang in Serie geschalten ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer ersten Messung bei Inbetriebnahme des Strangs eine Ermittlung der relativen Temperaturänderung des p-n-Übergangs der jeweiligen LED erfolgt.