DE102012105630B4

DE102012105630B4 - Beleuchtungsanordnung mit Beleuchtungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012105630B4
Application number: DE102012105630.7A
Authority: DE
Inventors: Boris Eichenberg; Jürgen Holz
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: US20150373801A1; JP2015527695A; KR20150027763A; JP2018092942A; US20180168010A1; JP2016213197A; KR102068377B1; CN104412384B; JP6310510B2; US9918368B2; WO2014001068A1; CN104412384A; DE102012105630A1; US10299341B2; JP6649969B2; US20170105253A1; US9554439B2

Abstract

Beleuchtungsanordnung (11) mit einer Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl von zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Bauelementen (2), einer Mehrzahl von Zeilenleitungen (Z1, Z2), einer Mehrzahl von Spaltenleitungen (S1, S2,.., S5) und einer Ansteuerschaltung (10), bei der ein Betriebspotenzial der Zeilenleitungen (Z1, Z2) jeweils zwischen zumindest zwei Zuständen variierbar ist und bei der die Spaltenleitungen (S1, S2,.., S5) jeweils mit einem Stromtreiber verbunden sind, wobei- die Beleuchtungsvorrichtung (1) für einen Scheinwerfer ausgebildet ist und die Bauelemente (2) jeweils mit einer Zeilenleitung (Z1, Z2) und mit einer Spaltenleitung (S1, S2,.., S5) elektrisch leitend verbunden sind und die Beleuchtungsvorrichtung (1) zum gleichzeitigen Betrieb von zumindest zwei Bauelementen (2) vorgesehen ist, und- die Spaltenleitungen (S1, S2,.., S5) mit drei Potentialzuständen betreibbar sind und ein Zustand der Zeilenleitungen (Z1, Z2) ein hochohmiger Zustand (Z) ist, wobei der hochohmige Zustand (Z) durch eine Tristate-Schaltung bereitgestellt wird.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, eine Beleuchtungsanordnung mit einer Beleuchtungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung.
Aus den Dokumenten DE 39 31 262 A1 , DE 600 19 689 T2 , US 7 999 454 B2 , US 2005/0 127 376 A1 , US 2008 / 0 036 398 A1 , US 4 021 607 A , EP 0 923 788 B1 , US 2006 / 0 244 623 A1 und US 2008 / 0 150 440 A1 sind Beleuchtungsvorrichtungen, Beleuchtungsanordnungen mit einer Beleuchtungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung bekannt.
Bei Beleuchtungsvorrichtungen, beispielsweise LED-Modulen für die Anwendung als Scheinwerfer, finden oftmals viele LED-Chips Anwendung, die im Betrieb einzeln oder in Gruppen angesteuert werden müssen. Hierfür können für jede LED zwei Zuleitungen zur externen Kontaktierung vorgesehen werden. Dies erfordert jedoch eine Vielzahl von Zuleitungen, wodurch sich der zwischen den einzelnen LEDs erforderliche Abstand erhöhen kann.
Eine Aufgabe ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, bei der einzelne Bauelemente in einer kompakten und kostengünstigen Ausgestaltung einzeln kontaktierbar sind. Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem eine Beleuchtungsvorrichtung effizient angesteuert werden kann.
Die Beleuchtungsvorrichtung weist eine Mehrzahl von zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Bauelementen auf. Die Bauelemente können zur Erzeugung von inkohärenter, teilkohärenter oder kohärenter Strahlung vorgesehen sein. Insbesondere können die Bauelemente als Leuchtdioden (LEDs) ausgebildet sein. Die Bauelemente können als ungehäuste Halbleiterchips oder als Bauelemente, bei denen die Halbleiterchips in einem Gehäuse angeordnet sind, ausgebildet sein.
Die Beleuchtungsvorrichtung weist eine Mehrzahl von Zeilenleitungen und eine Mehrzahl von Spaltenleitungen auf. Die Bauelemente sind jeweils mit einer Zeilenleitung und mit einer Spaltenleitung elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise sind die Bauelemente matrixförmig angeordnet, wobei die Zeilenleitungen jeweils einer Zeile der Matrix und die Spaltenleitungen jeweils einer Spalte der Matrix zugeordnet sind. Einem Kreuzungspunkt einer Zeilenleitung mit einer Spaltenleitung kann aber auch eine Gruppe von Bauelementen zugeordnet sein. In diesem Fall sind die zu einer Gruppe gehörenden Bauelemente jeweils nur gemeinsam ansteuerbar. Der Begriff „Kreuzungspunkt“ bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass die Zeilenleitungen und die Spaltenleitungen an dem Kreuzungspunkt überlappen müssen. Vielmehr definiert der Begriff Kreuzungspunkt, welche Zeilenleitung und welche Spaltenleitung dem jeweiligen Bauelement beziehungsweise der jeweiligen Gruppe von Bauelementen zugeordnet ist.
Die Zeilenleitungen und die Spaltenleitungen sind vorzugsweise jeweils mit demselben Pol der Bauelemente elektrisch leitend verbunden. Beispielsweise können die Zeilenleitungen jeweils mit der Anode und die Spaltenleitungen mit der Kathode elektrisch leitend verbunden sein oder umgekehrt. Vorzugsweise ist die Anzahl der Zeilenleitungen geringer als die Anzahl der Spaltenleitungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung weist diese zwischen einschließlich zwei und einschließlich fünf Zeilenleitungen auf. Insbesondere kann die Beleuchtungsvorrichtung genau zwei Zeilenleitungen aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung weist die Beleuchtungsvorrichtung zwischen einschließlich zwei und einschließlich acht Spaltenleitungen auf. Insbesondere kann die Beleuchtungsvorrichtung zwischen einschließlich vier und einschließlich sechs Spaltenleitungen aufweisen.
Die Beleuchtungsvorrichtung ist zum gleichzeitigen Betrieb von zumindest zwei Bauelementen vorgesehen. Insbesondere werden zumindest zwei Bauelemente, die voneinander verschiedenen Spaltenleitungen und voneinander verschiedenen Spaltenleitungen zugeordnet sind, gleichzeitig betrieben. Bevorzugt werden mindestens 10 % der Bauelemente der Beleuchtungsvorrichtung gleichzeitig betrieben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist zumindest einem Bauelement ein ESD (Electro-Static Discharge)-Schutzelement zugeordnet. Ein ESD-Schutzelement ist dafür vorgesehen, eine an ein Bauelement aufgrund von elektrostatischer Aufladung anliegende Spannung, die im Fall einer Entladung zur Schädigung des Bauelementes führen könnte, abfließen zu lassen. Vorzugsweise ist jedem Bauelement ein ESD-Schutzelement zugeordnet.
In einer Ausgestaltung ist zu jedem Bauelement ein ESD-Schutzelement parallel geschaltet. In diesem Fall entspricht die Anzahl der ESD-Schutzelemente der Anzahl der Bauelemente.
In einer alternativen Ausgestaltung ist den Bauelementen, die mit einer Zeilenleitung elektrisch leitend verbunden sind und/oder den Bauelementen, die mit einer Spaltenleitung elektrisch leitend verbunden sind, jeweils ein gemeinsames ESD-Schutzelement zugeordnet. Zu jeder Zeilenleitung beziehungsweise jeder Spaltenleitung ist also jeweils ein ESD-Schutzelement vorgesehen.
Das ESD-Schutzelement kann als ein unidirektional sperrendes Element, beispielsweise als eine ESD-Diode, ausgebildet sein. Alternativ kann das ESD-Schutzelement bidirektional sperrend mit einer Durchbruchcharakteristik ausgebildet sein. Beispielsweise kann das ESD-Schutzelement als ein Varistor, ein Thyristor oder als eine Dioden-Anordnung mit zwei in Serie verschalteten Dioden mit zueinander entgegengesetzten Durchlassrichtungen ausgebildet sein. Auch ein aktives ESD-Schutzelement, beispielsweise eine so genannte „gated diode“ kann Anwendung finden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beleuchtungsvorrichtung einen Träger auf, auf dem die Zeilenleitungen, die Spaltenleitungen und die Bauelemente angeordnet sind. Der Träger kann beispielsweise eine Keramik enthalten oder aus einer Keramik bestehen. Auch eine Leiterplatte kann für den Träger Anwendung finden. Das ESD-Schutzelement beziehungsweise die ESD-Schutzelemente können auf dem Träger angeordnet sein. Alternativ können das ESD-Schutzelement beziehungsweise die ESD-Schutzelemente auf einer zusätzlich zum Träger vorgesehenen Leiterplatte angeordnet sein.
Die Beleuchtungsvorrichtung ist für einen Scheinwerfer, insbesondere für einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet. Insbesondere kann die Beleuchtungsvorrichtung für ein adaptives Frontbeleuchtungs-System (adaptive frontlighting system, AFS) ausgebildet sein. Für ein AFS ist eine Beleuchtungsvorrichtung mit genau zwei Zeilenleitungen besonders geeignet.
Eine Beleuchtungsanordnung weist eine solche Beleuchtungsvorrichtung und eine Ansteuerschaltung auf. Mittels der Ansteuerschaltung ist ein Betriebspotenzial der Zeilenleitungen jeweils zwischen zumindest zwei Zuständen variierbar und die Spaltenleitungen sind jeweils mit einem Stromtreiber elektrisch leitend verbunden. Der Strom ist für die Spaltenleitungen also jeweils unabhängig voneinander einstellbar. Selbstverständlich sind die Begriffe „Zeilenleitung“ und „Spaltenleitung“ insofern austauschbar, dass die Stromtreiber auch mit den Zeilenleitungen verbunden sein können und das Betriebspotenzial der Spaltenleitungen jeweils zwischen zumindest zwei Zuständen variierbar ist.
Die Spaltenleitungen sind mit drei Potenzialzuständen betreibbar. Zusätzlich zu einem Zustand mit einem hohen Potenzial („High“) und einem Zustand mit niedrigem Potenzial („Low“) ist die Spaltenleitung also mit einer Zwischenspannung betreibbar, die zwischen den vorgenannten Spannungswerten liegt.
Ein Zustand der Zeilenleitungen ist ein hochohmiger Zustand. Ein solcher Zustand kann durch eine so genannte Tristate-Struktur bereitgestellt werden.
Eine Beleuchtungsanordnung, bei der die Spaltenleitungen mit drei Potenzialzuständen und die Zeilenleitungen in einem hochohmigen Zustand betreibbar sind, eignet sich besonders für eine Beleuchtungsvorrichtung, bei der den einzelnen Bauelementen jeweils ein unidirektional sperrendes ESD-Schutzelement parallel geschaltet ist.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung weist die Beleuchtungsvorrichtung eine Mehrzahl von zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Bauelementen, eine Mehrzahl von Zeilenleitungen und eine Mehrzahl von Spaltenleitungen auf, wobei die Bauelemente jeweils mit einer Zeilenleitung und mit einer Spaltenleitung elektrisch leitend verbunden sind.
Für ein Betriebspotenzial der Zeilenleitungen wird jeweils einer von zumindest zwei Zuständen eingestellt.
Eine Stromversorgung der Spaltenleitungen wird jeweils mittels eines Stromtreibers eingestellt. Die Spaltenleitungen werden also mittels des jeweils zugeordneten Stromtreibers unabhängig voneinander bestromt. Die einzelnen Stromtreiber können jeweils als Ausgänge einer gemeinsamen Stromquelle oder als voneinander getrennte Stromquellen ausgeführt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden zur Strahlungserzeugung vorgesehene Bauelemente durch Einstellen eines aktivierten Zustands für die zugeordneten Zeilenleitungen vorselektiert. Das heißt, zu dem jeweiligen Zeitpunkt emittieren alle Bauelemente, die einer Zeilenleitung mit einem nicht aktivierten Zustand zugeordnet sind, keine Strahlung. Die Bezeichnung „vorselektiert“ impliziert hierbei keine zeitliche Reihenfolge des Einstellens der Zustände für die Zeilenleitungen und die Spaltenleitungen. Von den den aktivierten Zeilenleitungen zugeordneten Bauelementen emittieren diejenigen Bauelemente zu dem genannten Zeitpunkt Strahlung, deren zugeordnete Spaltenleitung aktiviert wird. Im einfachsten Fall erfolgt eine Aktivierung eines Bauelements durch Einstellen eines „High“-Zustands für die zugeordnete Zeilenleitung in Verbindung mit einem „Low“-Zustand an der zugeordneten Spaltenleitung oder umgekehrt. Eine Spannungsdifferenz zwischen dem „High“-Zustand und dem „Low-Zustand“ ist betragsmäßig zweckmäßigerweise mindestens so hoch wie die nominelle Betriebsspannung der angesteuerten Bauelemente.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine von dem Stromtreiber bereitgestellte Stromstärke abhängig von der Anzahl der im aktivierten Zustand befindlichen Zeilenleitungen eingestellt. Je höher die Anzahl der im aktivierten Zustand befindlichen Zeilenleitungen ist, desto größer ist die Anzahl der Bauelemente, die bei Bestromung der dem Stromtreiber zugeordneten Spaltenleitung elektrisch zueinander parallel geschaltet sind. Bei einer Anzahl von n aktivierten Zeilenleitungen beträgt die Stromstärke vorzugsweise das n-Fache des Nominalstroms für ein einzelnes Bauelement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Zeilenleitungen mit einem Tastverhältnis (duty cycle) von 100 % betrieben. Das heißt, die aktivierten Zeilenleitungen sind durchgängig aktiviert und können jeweils zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Bauelemente durchgängig bestromt werden. Es werden jeweils nur ganze Reihen und/oder ganze Spalten deaktiviert.
Zumindest zwei Zeilenleitungen werden abwechselnd mit einem Tastverhältnis unter 100 % betrieben, so dass zumindest ein Bauelement deaktiviert ist und zumindest ein weiteres Bauelement in der dem deaktivierten Bauelement zugehörigen Spalte und ein weiteres Bauelement in der dem deaktivierten Bauelement zugehörigen Zeile gleichzeitig aktiviert ist. Mittels der Einstellung des Tastverhältnisses können also einzelne Bauelemente deaktiviert werden, ohne dass die dem Bauelement zugeordnete gesamte Spalte oder die zugeordnete gesamte Zeile deaktiviert werden muss. Vorzugsweise beträgt das Tastverhältnis 100 % dividiert durch die Anzahl der Zeilenleitungen. Bei zwei Zeilenleitungen beträgt das Tastverhältnis demnach 50 %.
Zur Kompensation der aufgrund des reduzierten Tastverhältnisses geringeren insgesamt abgestrahlten Strahlungsenergie wird die Stromstärke entsprechend dem inversen Tastverhältnis erhöht. Bei einem Tastverhältnis von 50 % kann die Stromstärke beispielsweise 200 % betragen. Die zeitlich gemittelt abgestrahlte Strahlungsleistung eines Bauelements kann so der Strahlungsleistung des Bauelements im Betrieb mit einem Tastverhältnis von 100 % entsprechen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist zu den Bauelementen jeweils ein ESD-Schutzelement mit unidirektionalem Sperrverhalten bezüglich der Durchlassrichtung antiparallel geschaltet. Eine Zeilenleitung wird in einem aktivierten Zustand betrieben. Eine weitere Zeilenleitung wird bevorzugt in einem hochohmigen Zustand betrieben. Eine Spaltenleitung wird weiterhin bevorzugt in einem aktivierten Zustand betrieben und eine weitere Spaltenleitung wird mit einer Zwischenspannung betrieben, die zwischen der Spannung des aktivierten Zustands der Zeilenleitung und der Spannung des aktivierten Zustands der Spaltenleitung liegt, so dass das Bauelement, das mit der aktivierten Zeilenleitung und mit der Spaltenleitung mit der Zwischenspannung verbunden ist, deaktiviert ist. Auf diese Weise können auch bei einer Beleuchtungsvorrichtung, bei der den Bauelementen jeweils ein ESD-Schutzelement mit undirektionalem Sperrverhalten zugeordnet ist, elektrisch kontaktiert werden.
Die Zahl der nach außen zu führenden Verbindungsleitungen beträgt bei den vorstehend beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen bei n Zeilen und m Spalten n + m, während bei einer einzelnen Kontaktierung der Bauelemente insgesamt 2*n*m Leitungen erforderlich wären.
Die vorstehend beschriebene Beleuchtungsvorrichtung und die Beleuchtungsanordnung sind für das Verfahren besonders geeignet. Im Zusammenhang mit der Beleuchtungsanordnung und der Beleuchtungsvorrichtung beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung in schematischer Aufsicht;
2A bis 2E jeweils eine Schaltung für eine Beleuchtungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und einem zweiten Ausführungsbeispiel in den 2A beziehungsweise 2E und verschiedene Betriebsmodi der Beleuchtungsanordnung in den 2B bis 2D;
3A bis 3D eine Schaltung für eine Beleuchtungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in 3A und verschiedene Betriebsmodi der Beleuchtungsanordnung in den 3B bis 3D; und
4 eine Schaltung für eine Beleuchtungsanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung 1 ist in 1 schematisch in Aufsicht dargestellt. Die Beleuchtungsvorrichtung weist eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen 2 auf, die matrixförmig auf einem Träger 5 angeordnet sind. Der Träger kann beispielsweise ein Keramik-Träger oder eine Leiterplatte, insbesondere eine Metallkern-Leiterplatte, sein.
Den Zeilen und Spalten der Beleuchtungsvorrichtung 1 ist jeweils eine Zeilenleitung Z1, Z2 beziehungsweise eine Spaltenleitung S1, S2, S3, S4 zugeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Beleuchtungsvorrichtung zwei Zeilen und vier Spalten auf. Selbstverständlich kann die Beleuchtungsvorrichtung jedoch auch mehr als zwei Zeilen und entsprechend mehr Zeilenleitungen, beispielsweise zwischen einschließlich zwei und einschließlich fünf Zeilenleitungen aufweisen. Weiterhin kann die Beleuchtungsvorrichtung 1 auch eine von vier abweichende Spaltenzahl aufweisen, beispielsweise zwischen einschließlich zwei und einschließlich acht Spaltenleitungen.
Für einen Scheinwerfer, etwa für ein Kraftfahrzeug, eignet sich für die Beleuchtungsvorrichtung besonders eine Anordnung mit genau zwei Zeilenleitungen. Mittels der separaten Ansteuerbarkeit der beiden Zeilenleitungen kann die Funktion eines Fernlichts als adaptives Frontscheinwerfersystem und eines Abblendlichts vereinfacht realisiert werden.
Die Zeilenleitungen Z1, Z2 und die Spaltenleitungen S1 bis S4 sind als sich kreuzende durchgängige Leiterbahnen ausgebildet. Zwischen den Leiterbahnen besteht keine unmittelbare elektrische Verbindung. Beispielsweise kann zwischen den Leiterbahnen für die Zeilenleitungen und den Leiterbahnen für die Spaltenleitungen eine Isolationsschicht ausgebildet sein (nicht explizit dargestellt).
Die Zeilenleitungen und Spaltenleitungen müssen sich nicht notwendigerweise kreuzen. Beispielsweise ist auch denkbar, dass nur die Zeilenleitungen oder nur die Spaltenleitungen durchgängig ausgebildet sind und einzelne Segmente der nicht durchgängigen Spaltenleitungen beziehungsweise Zeilenleitungen über Anschlussleitungen wie Bonddrähte miteinander verbunden sind.
Den Kreuzungspunkten der Zeilenleitungen Z1, Z2 und Spaltenleitungen S1 bis S4 ist jeweils genau ein Bauelement 2 zugeordnet. Davon abweichend kann zumindest einem Kreuzungspunkt aber auch eine Gruppe mit einer Mehrzahl von Bauelementen zugeordnet sein. Die Bauelemente einer Gruppen sind dann nur gemeinsam ansteuerbar.
Die Bauelemente 2 sind als ungehäuste LED-Halbleiterchips ausgebildet. Der Abstand zwischen den Halbleiterchips benachbarter Bauelemente kann so minimiert werden. Eine besonders kompakte Ausgestaltung der Beleuchtungsvorrichtung 1 wird dadurch vereinfacht. Die Bauelemente sind vorzugsweise als LEDs ausgebildet. Es können auch Superlumineszenzdioden Anwendung finden. Auch die Verwendung kohärenter Strahlungsquellen, beispielsweise Laserdioden ist denkbar.
Die Halbleiterchips der Bauelemente 2 weisen jeweils einen bezogen auf eine Hauptabstrahlungsrichtung der Beleuchtungsvorrichtung 1 rückseitigen Kontakt auf, der mit den Zeilenleitungen Z1, Z2 elektrisch leitend verbunden ist, beispielsweise über eine Lotschicht oder eine elektrisch leitfähige Klebeschicht. Eine elektrisch leitende Verbindung mit den zugehörigen Spaltenleitungen S1 bis S4 erfolgt über eine Anschlussleitung 3, beispielsweise einen Bonddraht, zwischen einem oberseitigen Kontakt des Halbleiterchips 2 und der zugehörigen Spaltenleitung. Die Anschlussleitung erstreckt sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Öffnung 35 bis zur jeweiligen Spaltenleitung.
Bezüglich der Anordnung der Kontakte können aber auch andere Halbleiterchip-Geometrien Anwendung finden. Beispielsweise kann der Halbleiterchip über zwei vorderseitige Kontakte mittels zweier Anschlussleitungen elektrisch angeschlossen sein. Die Rückseite des Halbleiterchips kann in diesem Fall von den Zeilenleitungen und den Spaltenleitungen elektrisch isoliert sein. Auch Halbleiterchips in so genannter Flipchip-Geometrie können Anwendung finden. Auf eine Anschlussleitung kann in diesem Fall verzichtet werden.
Weiterhin müssen die Bauelemente 2 in Aufsicht nicht notwendigerweise mit den Zeilenleitungen Z1, Z2 überlappen. Beispielsweise können die Bauelemente lateral von den Zeilenleitungen beabstandet angeordnet und über eine Anschlussleitung mit den Zeilenleitungen elektrisch leitend verbunden sein. Selbstverständlich können die Bauelemente 2 auch auf den Spaltenleitungen S1 bis S4 angeordnet sein.
Die Halbleiterchips der optoelektronischen Bauelemente 2 basieren vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial. III-V-Verbindungs-Halbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten (Al_xIn_yGa_1-x-yN) über den sichtbaren (Al_xIn_yGa_1-x-y N, insbesondere für blaue bis grüne Strahlung, oder Al_xIn_yGa_1-x-yP, insbesondere für gelbe bis rote Strahlung) bis in den infraroten (Al_xIn_yGa_1-x-y As) Spektralbereich besonders geeignet. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0. Mit III-V- Verbindungs-Halbleitermaterialien, insbesondere aus den genannten Materialsystemen, können weiterhin bei der Strahlungserzeugung hohe interne Quanteneffizienzen erzielt werden.
Anstelle von ungehäusten Halbleiterchips können für die Bauelemente 2 auch Bauformen Anwendung finden, bei denen die zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Halbleiterchips in einem Gehäuse angeordnet sind. Solche Bauelemente benötigen zwar mehr Platz auf dem Träger, können sich jedoch beispielsweise durch eine höhere mechanische Robustheit auszeichnen.
Eine Schaltung für eine Beleuchtungsanordnung 11 mit einer Beleuchtungsvorrichtung 1 und einer Ansteuerschaltung 10 ist in 2A dargestellt. Die Beleuchtungsvorrichtung kann insbesondere wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben ausgebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel sind zehn Bauelemente matrixförmig angeordnet und mit zwei Zeilenleitungen Z1, Z2 und fünf Spaltenleitungen S1 bis S5 elektrisch leitend verbunden. Die Zeilenleitungen sind jeweils mit den Anoden der Bauelemente 2 und die Spaltenleitungen mit den Kathoden der Bauelemente 2 elektrisch leitend verbunden. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 weist insgesamt also sieben Anschlüsse zu der Ansteuerschaltung 10 auf.
Den Spaltenleitungen S1 bis S5 ist jeweils ein separater Stromtreiber I1 bis 15 zugeordnet. Zur Reduktion der gemittelten Strahlungsleistung kann bei allen Ausführungsbeispielen eine Pulsweitenmodulation Anwendung finden, mit der die Bauelemente 2 gedimmt werden können.
Verschiedene Betriebsmodi der Beleuchtungsanordnung im Betrieb sind in den Tabellen der 2B bis 2D dargestellt. Hier sind jeweils die Zustände der Zeilenleitungen Z1, Z2 und der Spaltenleitungen S1 bis S5 und das daraus resultierende Beleuchtungsmuster gezeigt. Ein „x“ in den Tabellen bedeutet jeweils ein Bauelement im Strahlung emittierenden Zustand.
Bei der in 2B dargestellten Konfiguration befindet sich die Zeilenleitung Z1 in einem High-(H-)Zustand und die Zeilenleitung Z2 in einem Low-(L-)Zustand. In dieser Konfiguration sind alle der Zeilenleitung Z2 zugeordneten Bauelemente deaktiviert. Von den der Zeilenleitung Z1 zugeordneten Bauelementen emittieren diejenigen Strahlung, die sich in einem Low-Zustand befinden, also die den Spaltenleitungen S1 und S3 bis S5 zugeordneten Bauelemente. Wie exemplarisch anhand der Spaltenleitung S2 gezeigt, kann also durch Zuordnen eines High-Zustands für eine Spaltenleitung ein einzelnes Bauelement einer aktivierten Zeilenleitung, hier der Zeilenleitung Z1, deaktiviert werden. Selbstverständlich können durch geeignete Einstellung der Zustände auch andere oder mehr als ein Bauelement der der Zeilenleitung Z1 zugeordneten Bauelemente deaktiviert werden.
Bei der in 2C dargestellten Konfiguration befinden sich im Unterschied hierzu beide Zeilenleitungen Z1 und Z2 im High-Zustand. Folglich emittieren alle Bauelemente außer denjenigen, die der Spaltenleitung S2 zugeordnet sind, Strahlung. Für die Umsetzung der in den 2B und 2C dargestellten Zustände können die einzelnen Zeilenleitungen Z1 und Z2 und somit sämtliche Bauelemente 2 der Beleuchtungsvorrichtung 1 mit einem Tastverhältnis von 100 % betrieben werden. Alle aktivierten Bauelemente emittieren somit gleichzeitig Strahlung.
Bei der in 2C dargestellten Konfiguration sind den den Spaltenleitungen S1 bis S5 jeweils zugeordneten Stromtreibern I1 bis I5 jeweils zwei Bauelemente 2 zugeordnet, die elektrisch zueinander parallel verschaltet sind. Für eine Bestromung der Bauelemente liefern die Stromtreiber I1 bis I5 vorzugsweise jeweils den nominell zweifachen Betriebsstrom bezogen auf den nominellen Betriebsstrom für ein Bauelement 2. Bei mehr als zwei Zeilenleitungen wird der von dem Stromtreiber bereitgestellte Betriebsstrom entsprechend der Anzahl n der aktivierten Zeilenleitungen multipliziert.
2D zeigt einen Betriebsmodus, bei dem im Unterschied zu den in den 2B und 2C gezeigten Betriebsmodi ein einzelnes Bauelement 2 deaktiviert wird, ohne dass die gesamte zugehörige Zeile oder die gesamte zugehörige Spalte deaktiviert werden muss. Hierfür werden die Zeilenleitungen Z1 und Z2 abwechselnd jeweils mit einem Tastverhältnis von 50 % aktiviert. Den Spaltenleitungen S1 und S3 bis S5 ist jeweils ein Low-Zustand zugeordnet, so dass die diesen Spaltenleitungen zugeordneten Bauelemente jeweils mit einem Tastverhältnis von 50 % Strahlung emittieren. Die Spaltenleitung S2 wird dagegen zu den Zeiten, in denen die Zeilenleitung Z1 aktiviert ist, in den High-Zustand versetzt, so dass das der Zeilenleitung Z1 und der Spaltenleitung S2 zugeordnete Bauelement keine Strahlung emittiert. Zu den Zeiten, in denen die Zeilenleitung Z2 aktiviert ist, wird die Spaltenleitung S2 in den Low-Zustand versetzt, so dass das der Zeilenleitung Z2 und der Spaltenleitung S2 zugeordnete Bauelement Strahlung emittiert. Die Reduzierung der abgestrahlten Lichtenergie aufgrund des reduzierten Tastverhältnisses gegenüber dem in 2B dargestellten Zustand kann durch eine Verdopplung des Betriebsstroms kompensiert werden, so dass die einzelnen aktivierten Bauelemente 2 auch in dem in 2D dargestellten Betriebsmodus zeitlich gemittelt mit derselben oder zumindest im Wesentlichen derselben Strahlungsleistung emittieren. Obwohl die Beleuchtungsvorrichtung zur Ansteuerschaltung 10 lediglich 2 + 5 = 7 Anschlüsse anstelle von 2 x 10 = 20 Anschlüssen im Fall einer Einzelkontaktierung der Bauelemente aufweist, können die Bauelemente 2 alle einzeln und unabhängig voneinander aktiviert und deaktiviert werden, ohne dass sich dadurch die gemittelte Ausgangsleistung verringert. Eine solche Beleuchtungsvorrichtung beziehungsweise ein solches Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung eignet sich daher besonders für die Verwendung in einem Scheinwerfer, insbesondere einem adaptiven Scheinwerfersystem.
Anstelle der in 2E dargestellten Ausgestaltung der Beleuchtungsanordnung eignet sich auch eine Beleuchtungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, deren Schaltung in 2E dargestellt ist. Im Unterschied zum in 2A dargestellten Ausführungsbeispiel ist den Bauelementen 2 jeweils ein ESD-Schutzelement 4 zugeordnet, wobei das ESD-Schutzelement in beiden Richtungen sperrend mit Durchbruchcharakteristik ausgebildet ist. Beispielsweise kann das ESD-Schutzelement ein Thyristor, ein Varistor oder eine Diodenschaltung mit zwei in Serie verschalteten Dioden mit zueinander entgegengesetzten Durchlassrichtungen sein. Auch ein aktives ESD-Schutzelement wie eine gated diode kann Anwendung finden.
Mittels der ESD-Schutzelemente 4 kann jedes einzelne Bauelement 2 vor einer Schädigung aufgrund einer elektrostatischen Entladung geschützt werden. Eine solche Beleuchtungsanordnung zeichnet sich durch eine besonders hohe Robustheit und einem damit verbundenen reduzierten Ausfallrisiko aus. Die ESD-Schutzelemente 4 können auf demselben Träger 5 angeordnet sein wie die optoelektronischen Bauelemente 2. Weiterhin kann das ESD-Schutzelement auch in das Bauelement 2, insbesondere in den Halbleiterchip, integriert sein. Alternativ können die ESD-Schutzelemente 4 aber auch auf einer zusätzlich zu dem Träger 5 vorgesehenen Leiterplatte angeordnet sein.
Durch die Verwendung bidirektional sperrender ESD-Schutzelemente kann ein ESD-Schutz für die Bauelemente integriert werden, ohne dass hierfür die Ansteuerschaltung 10 modifiziert werden muss.
Im Unterschied hierzu ist in 3A eine Schaltung für ein drittes Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsanordnung gezeigt, bei dem die ESD-Schutzelemente 4 jeweils als unidirektional sperrende Bauelemente, insbesondere als ESD-Dioden, ausgebildet sind. Die Durchlassrichtung der ESD-Schutzdioden ist antiparallel zu der Durchlassrichtung des zugehörigen Bauelements 2 orientiert.
Verschiedene Betriebsmodi der Beleuchtungsvorrichtung sind anhand der Tabellen in den 3B bis 3D dargestellt, wobei das Muster der aktivierten Bauelemente 2 den Tabellen gemäß den 2B bis 2D entspricht.
Im Unterschied zu der Beschreibung der 2A bis 2E sind die Zustände der Zeilenleitungen Z1, Z2 zwischen einem High-Zustand und einem hochohmigen Zustand (Z-Zustand) schaltbar. Ein solcher Zustand kann beispielsweise durch eine genannte Tristate-Schaltung bereitgestellt werden. Die in 3B eingetragenen Zustände der Zeilenleitungen und Spaltenleitungen entspricht der in 3A gezeigten Darstellung, wobei ein Wert von +3,3 V den High-Zustand und eine Spannung von 0 V den Low-Zustand darstellt. Der Spaltenleitung S2 ist eine Mittelspannung M von +1,9 V zugeordnet. Diese Spannung liegt also zwischen dem High-Zustand und dem Low-Zustand. Die Zwischenspannung M ist so gewählt, dass das der Zeilenleitung Z1 und der Spaltenleitung S2 zugeordnete Bauelement 2 bei der resultierenden Differenzspannung (in dem Ausführungsbeispiel 3,3 V - 1,9 V = 1,4 V) keine Strahlung emittiert. Dadurch kann dieses Bauelement deaktiviert werden.
An der Zeilenleitung Z2, der der hochohmige Zustand Z zugeordnet ist, stellt sich ein Potenzial von 1,9 V - 0,7 V = 1,2 V ein, da die zu dem der Zeile Z2 und der Spalte S2 zugeordneten Bauelement 2 antiparallel verschaltete Schutzdiode 4 für die anliegende Zwischenspannung M in Durchlassrichtung orientiert ist. Diese resultierende Spannung von 1,2 V bewirkt jedoch keine Strahlungsemission der der Zeilenleitung Z2 zugeordneten Bauelemente 2.
Eine Deaktivierung einer ganzen Spalte kann, wie in 3C exemplarisch für die Spalte S2 dargestellt, dadurch erzielt werden, dass dieser Spaltenleitung die Zwischenspannung M zugeordnet wird.
Eine Deaktivierung eines einzelnen Bauelements 2 kann, wie in 3D dargestellt, durch eine Aktivierung der Zeilenleitungen Z1, Z2 mit einem entsprechend reduzierten Tastverhältnis (also 50 % für zwei Zeilenleitungen) erzielt werden, wenn für die dem zu deaktivierenden Bauelement zugehörige Spaltenleitung während der Aktivierung der zugeordneten Zeilenleitung der M-Zustand zugeordnet wird.
Mit dem beschriebenen Verfahren der Ansteuerung kann also auch für eine Beleuchtungsvorrichtung, bei der jedem optoelektronischen Bauelement 2 ein ESD-Schutzelement mit unidirektionalem Sperrverhalten zugeordnet ist, jedes Bauelement 2 einzeln angesteuert werden. Ein solcher Betrieb erfordert zwar eine Ansteuerung der Zeilenleitungen mit einem hochohmigen Zustand und eine geeignete Zwischenspannung für die Spaltenleitungen, wodurch die Komplexität der Ansteuerschaltung 10 erhöht wird. Eine solchermaßen ausgeführte Ansteuerung kann jedoch dennoch günstig sein, da sie toleranter für etwaig auftretende Leckströme, beispielsweise in den LEDs, ist.
Die Schaltung des in 4 dargestellten fünften Ausführungsbeispiels für eine Beleuchtungsanordnung entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 2E beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist nicht jedem Bauelement 2 einzeln ein ESD-Schutzelement zugeordnet, sondern jede Zeilenleitung Z1, Z2 und jede Spaltenleitung S1 bis S5 ist jeweils mit einem ESD-Schutzelement 4 versehen.
Gegenüber einer Ausgestaltung, bei der jedem Bauelement 2 einzeln ein ESD-Schutzelement zugeordnet ist, kann die Anzahl der erforderlichen Schutzelemente verringert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel eignet sich für das ESD-Schutzelement beispielsweise eine Zener-Diode oder eine Dioden-Anordnung mit zwei bezüglich ihrer Durchlassrichtung entgegengesetzt orientierten, in Serie verschalteten Dioden, ein Thyristor oder ein Varistor.

Claims

Beleuchtungsanordnung (11) mit einer Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl von zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Bauelementen (2), einer Mehrzahl von Zeilenleitungen (Z1, Z2), einer Mehrzahl von Spaltenleitungen (S1, S2,.., S5) und einer Ansteuerschaltung (10), bei der ein Betriebspotenzial der Zeilenleitungen (Z1, Z2) jeweils zwischen zumindest zwei Zuständen variierbar ist und bei der die Spaltenleitungen (S1, S2,.., S5) jeweils mit einem Stromtreiber verbunden sind, wobei - die Beleuchtungsvorrichtung (1) für einen Scheinwerfer ausgebildet ist und die Bauelemente (2) jeweils mit einer Zeilenleitung (Z1, Z2) und mit einer Spaltenleitung (S1, S2,.., S5) elektrisch leitend verbunden sind und die Beleuchtungsvorrichtung (1) zum gleichzeitigen Betrieb von zumindest zwei Bauelementen (2) vorgesehen ist, und - die Spaltenleitungen (S1, S2,.., S5) mit drei Potentialzuständen betreibbar sind und ein Zustand der Zeilenleitungen (Z1, Z2) ein hochohmiger Zustand (Z) ist, wobei der hochohmige Zustand (Z) durch eine Tristate-Schaltung bereitgestellt wird.
Beleuchtungsanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei zumindest einem Bauelement (2) ein ESD-Schutzelement (4) zugeordnet ist.
Beleuchtungsanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei den Bauelementen (2), die mit einer Zeilenleitung (Z1, Z2) elektrisch leitend verbunden sind, und/oder den Bauelementen (2), die mit einer Spaltenleitung (S1, S2,.., S5) elektrisch leitend verbunden sind, jeweils ein gemeinsames ESD-Schutzelement (4) zugeordnet ist.
Beleuchtungsanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei zu jedem Bauelement (2) ein ESD-Schutzelement (4) parallel geschaltet ist.
Beleuchtungsanordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (1) zwischen einschließlich zwei und einschließlich acht Zeilenleitungen (Z1, Z2) und zwischen einschließlich zwei und einschließlich acht Spaltenleitungen (S1, S2,.., S5) aufweist.
Beleuchtungsanordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (1) genau zwei Zeilenleitungen (Z1, Z2) aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl von zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Bauelementen (2), einer Mehrzahl von Zeilenleitungen (Z1, Z2) und einer Mehrzahl von Spaltenleitungen (S1, S2,.., S5), wobei die Beleuchtungsvorrichtung (1) für einen Scheinwerfer ausgebildet ist und die Bauelemente (2) jeweils mit einer Zeilenleitung (Z1, Z2) und mit einer Spaltenleitung (S1, S2,.., S5) elektrisch leitend verbunden sind, wobei für ein Betriebspotenzial der Zeilenleitungen (Z1, Z2) jeweils einer von zumindest zwei Zuständen (L, H, Z) eingestellt wird und eine Stromversorgung der Spaltenleitungen (S1, S2,.., S5) jeweils mittels eines Stromtreibers (I1, I2,.., I5) eingestellt wird, und wobei zumindest zwei Zeilenleitungen (Z1, Z2) abwechselnd mit einem Tastverhältnis unter 100 % betrieben werden, so dass zumindest ein Bauelement deaktiviert ist und zumindest ein weiteres Bauelement in der dem deaktivierten Bauelement zugehörigen Spalte und ein weiteres Bauelement in der dem deaktivierten Bauelement zugehörigen Zeile gleichzeitig aktiviert ist und die Stromstärke entsprechend dem inversen Tastverhältnis erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zur Strahlungserzeugung vorgesehene Bauelemente (2) durch Einstellen eines aktivierten Zustands für die zugeordneten Zeilenleitungen (Z1, Z2) vorselektiert werden und durch Aktivierung des Stromtreibers (I1, I2,.., I5) der zugeordneten Spaltenleitung (S1, S2,.., S5) betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine von dem Stromtreiber (I1, I2,.., I5) bereitgestellte Stromstärke abhängig von der Anzahl der im aktivierten Zustand befindlichen Zeilenleitungen (Z1, Z2) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei - zu den Bauelementen jeweils ein ESD-Schutzelement (4) mit unidirektionalem Sperrverhalten bezüglich der Durchlassrichtung antiparallel geschaltet ist, - eine Zeilenleitung (Z1, Z2) in einem aktivierten Zustand betrieben wird, - eine weitere Zeilenleitung (Z1, Z2) in einem hochohmigen Zustand betrieben wird, - eine Spaltenleitung (S1, S2,.., S5) in einem aktivierten Zustand betrieben wird, - und eine weitere Spaltenleitung (S1, S2,.., S5) mit einer Zwischenspannung (M) betrieben wird, die zwischen der Spannung des aktivierten Zustands der Zeilenleitung (Z1, Z2) und der Spannung des aktivierten Zustands der Spaltenleitung (S1, S2,.., S5) liegt, so dass das Bauelement, das mit der aktivierten Zeilenleitung (Z1, Z2) und mit der Spaltenleitung (S1, S2,.., S5) mit der Zwischenspannung verbunden ist, deaktiviert ist.