DE102012107766B4 - Fehlererkennung für eine Serienschaltung elektrischer Lasten - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Erkennung von Fehlfunktionen in einer Beleuchtungseinheit, die eine Vielzahl von in Serie geschalteter Leuchtdioden (LD₁, LD₂, ..., LD_N) aufweist; die Vorrichtung umfasst:
einen ersten, einen zweiten und einen dritten Schaltungsknoten (A; C; B), die eine Schnittstelle zu der Beleuchtungseinheit bilden, so dass die Spannung (V_AC), welche die Vielzahl von Leuchtdioden (LD₁, LD₂, ..., LD_N) versorgt, zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten (A; C) anliegt und ein erster Bruchteil der Versorgungsspannung (V_BC) zwischen dem dritten und dem zweiten Schaltungsknoten (B; C) anliegt;
eine Auswerteeinheit, die mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Schaltungsknoten (A; B; C) verbunden und dazu ausgebildet ist, auszuwerten, ob der erste Bruchteil der Versorgungsspannung (V_BC) innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs (ΔV) um einen Sollwert liegt, der definiert ist als zweiter Bruchteil der Versorgungsspannung (k_nominal· V_AC), wobei der zweite Bruchteil (k_nominal·V_AC) derart voreingestellt ist, dass der Sollwert im Wesentlichen gleich jener Spannung ist, welche zwischen dritten und zweiten Schaltungsknoten anliegt, wenn die Beleuchtungseinheit ausschließlich funktionsfähige LEDs umfasst; und
eine Schaltungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, wenn eine defekte Leuchtdiode detektiert wurde, den voreingestellten zweiten Bruchteil (V_SC) zu aktualisieren, sodass der zweite Bruchteil (k_nominal· V_AC) wieder dem ersten Bruchteil (V_BC) der Versorgungsspannung entspricht, und die weiter dazu ausgebildet ist, einen Zähler zu erhöhen, der die Anzahl der defekten Leuchtdioden zählt.

Description

• Die Erfindung betrifft das Gebiet der Fehlerdetektion wie z.B. die Erkennung von Kurzschlüssen, oder unerwünschten Leerläufen bei elektrischen Lasten, insbesondere die Detektion von Fehlfunktionen von Leuchtdioden (LEDs), die innerhalb einer Kette von in Serie geschalteten Leuchtdioden angeordnet sind.
• In der Publikation DE 10 2010 002 707 A1 ist eine Schaltung zur Erkennung von Fehlfunktionen in einer Serienschaltung von Leuchtdioden beschrieben. Diese Schaltung wird weiter unten noch näher diskutiert. Die Publikation DE 10 2007 001 501 A1 betrifft eine Fahrzeugscheinwerfervorrichtung mit einem Array aus LEDs und einer dazugehörigen Ansteuerschaltung. Auch die Publikation US 2007/0096746 A1 betrifft eine Ansteuerung für ein Array von LEDs.
• Beleuchtungseinheiten (z. B. Leuchtmittel), welche als strahlende Elemente Leuchtdioden (LEDs) umfassen, können üblicherweise nicht einfach mit einer Spannungsversorgung verbunden werden, sondern müssen mit Hilfe spezieller Treiberschaltungen (oder Regelschaltungen) angesteuert werden, die die LEDs mit einem definierten Laststrom vorsorgen, um eine gewünschte Strahlungsleistung (Strahlungsfluss) zu gewährleisten. Da eine einzelne LED nur eine geringe Durchlassspannung (von ungefähr 1,5 V bei infraroten GaAs-LEDs bis hin zu 4 V für violette und ultraviolette InGaN-LEDs) im Vergleich zu den üblichen Versorgungsspannungen (z. B. 12 V, 24 V oder 42 V in Automobilanwendungen) aufweist, werden mehrere LEDs in Serie zu sogenannten LED-Ketten geschaltet.
• In vielen Anwendungen ist eine in den Treiberschaltungen (oder Regelschaltungen) integrierte Fehlerkennung wünschenswert, welche die Erkennung einzelner defekter LEDs innerhalb einer mit einer Treiberschaltung verbundenen LED-Kette ermöglicht. Eine LED kann als Zweipol betrachtet werden. Eine fehlerhafte LED äußert sich entweder durch einen Kurzschluss oder einen Leerlauf zwischen den beiden Anschlüssen des Zweipols. Wenn eine LED einer LED-Kette aufgrund eines Fehlers einen Leerlauf bildet, kann dies einfach detektiert, da die fehlerhafte LED den Stromfluss durch die ganze LED-Kette unterbricht. Wenn eine LED einer LED-Kette aufgrund eines Fehlers einen Kurzschluss bildet, emittiert nur die fehlerhafte LED kein Licht mehr, was in machen Applikationen unproblematisch sein kann. Viele Anwendungen erfordern jedoch, dass die abgestrahlte Leistung innerhalb eines schmalen Bereichs bleibt.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen, welche dazu geeignet ist, fehlerhafte Leuchtdioden innerhalb von Leuchtdioden-Ketten zu erkennen, was sowohl die Erkennung von Kurzschlüssen in einzelnen Leuchtdioden umfasst.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Es wird eine Vorrichtung zum Erkennen von Fehlfunktionen in einer Beleuchtungseinheit, die eine Vielzahl in Serie geschalteter Leuchtdioden umfasst, beschrieben. Die Schaltung umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Schaltungsknoten, die zusammen eine Schnittstelle zu der Beleuchtungseinrichtung bilden, so dass die Spannung, welche die Vielzahl von Leuchtdioden versorgt, zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten anliegt sowie ein erster Bruchteil der Versorgungsspannung zwischen dem dritten und dem zweiten Schaltungsknoten anliegt. Die Schaltung umfasst des Weiteren eine Auswerteeinheit, die mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Schaltungsknoten gekoppelt ist, und die dazu ausgebildet ist, zu prüfen, ob die Spannung, die am dritten Schaltungsknoten anliegt, innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs um einen nominellen Wert liegt. Dieser nominelle Wert ist definiert als zweiter Bruchteil der Versorgungsspannung, der zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten anliegt. Des Weiteren wird der zweite Bruchteil derart voreingestellt, dass der nominelle Wert im Wesentlichen gleich der Spannung an dem dritten Schaltungsknoten ist, wenn die Beleuchtungseinrichtung nur fehlerlose Leuchtdioden enthält. Die Vorrichtung weist weiter eine Schaltungsanordnung auf, die dazu ausgebildet ist, den voreingestellten zweiten Bruchteil zu aktualisieren, wenn eine defekte Leuchtdiode detektiert wurde. Als Folge davon entspricht der zweite Bruchteil wieder dem ersten Bruchteil der Versorgungsspannung. Des Weiteren wird ein Zähler zu erhöht, der die Anzahl der defekten Leuchtdioden zählt.
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert. In den Abbildungen zeigen
• 1 ein nicht beanspruchtes Beispiel mit einem Spannungsteiler, der den Sollwert festlegt;
• 2 ein Beispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Spannungsteiler, der eine Vielzahl von Zwischen-Abgriffen und einen Multiplexer zur Auswahl eines geeigneten Zwischenabgriffs aufweist, um den Sollwert einzustellen; und
• 3 ein weiteres Beispiel der Erfindung mit einem Analog-Digital-Wandler und einer Recheneinheit (Arithmetik-Logik-Einheit, ALU) zum Prüfen der Beleuchtungseinheit.
• In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bzw. Signale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
• In vielen Anwendungen ist eine in den Treiberschaltungen integrierte Fehlererkennung wünschenswert, welche einer Detektion fehlerhafter LEDs innerhalb einer mit einer Treiberschaltung verbundenen LED-Kette ermöglicht. Eine fehlerhafte LED äußert sich entweder als Leerlauf oder als Kurzschluss zwischen den zwei Anschlüssen der fehlerhaften LED. Wenn eine LED innerhalb einer LED-Kette aufgrund eines Fehlers einen Leerlauf bildet, unterbricht die fehlerhafte LED den Strom für die gesamte LED-Kette, was in einfacher Weise detektiert werden kann wie z. B. durch eine Überwachung des Laststroms durch die LED-Kette. Wenn eine LED aufgrund eines Fehlers einen Kurzschluss bildet, hört lediglich die defekte LED auf, Strahlung zu emittieren, und der Spannungsabfall über der gesamten LED-Kette vermindert sich um die Durchlassspannung einer einzelnen LED. Ein Kurschluss kann also dadurch detektiert werden, dass der Spannungsabfall über der gesamten LED-Kette überwacht wird. Wenn dieser Spannungsabfall unter einen vorgegebenen konstanten Schwellwert fällt, kann daraus geschlossen werden, dass eine LED aufgrund eines Defekt einen Kurzschluss bildet.
• Ein grundsätzliches Problem bei diesem Konzept der Kurzschluss-Fehlererkennung ist, dass der Spannungsabfall über der LED-Kette nicht allein aufgrund eines Kurzschlusses einer einzelnen LED sinken kann, sondern auch aufgrund von temperaturbedingten Schwankungen sowie Alterungseffekten. Daher ist es möglich, dass ein Fehler erkannt wird, obwohl sämtliche Leuchtdioden in Ordnung sind oder umgekehrt, dass ein Fehler nicht erkannt wird trotz einer fehlerhaften Leuchtdiode. Dieses Problem tritt insbesondere in Anwendungen mit großen zulässigen Temperaturbereichen auf, wie z. B. im Automobilbereich, wo Glühlampen zunehmend durch LED-basierte Beleuchtungseinheiten ersetzt werden.
• In der Publikation DE 10 2010 002 707 A1 wird eine Schaltung zur Erkennung von Fehlfunktionen in einer Serienschaltung von Leuchtdioden vorgeschlagen. Die aus dieser Publikation bekannte Schaltung kann jedoch fehlerhafte LEDs nicht zuverlässig detektieren, wenn die Anzahl von LEDs in einer Kette von LEDs über einer bestimmten maximalen Anzahl liegt. Damit ist die Anzahl von LEDs in einer LED-Kette beschränkt. Die maximale Anzahl hängt von der statistischen Varianz (die im Wesentlichen durch produktionsbedingte Toleranzen bestimmt wird) der Flussspannungen der Leuchtdioden ab, welche die LED-Kette bilden.
• In der Folge wird eine Schaltungsanordnung zur Erkennung von Fehlfunktionen in Beleuchtungseinheiten vorgeschlagen, die eine Vielzahl von in Serie geschalteten Leuchtdioden aufweist (d.h. Beleuchtungseinheiten mit einer LED-Kette). 1 zeigt eine Schaltung, die einen ersten Schaltungsknoten A, und einen zweiten Schaltungsknoten C und einen dritten Schaltungsknoten B aufweist. Diese Schaltungsknoten A, B, C bilden eine Schnittstelle zur einer Beleuchtungseinheit, derart, dass ein Spannungsabfall V_AC über einer Kette von Leuchtdioden LD₁, LD₂, ..., LD_N zwischen den Knoten A und C anliegt und ein Bruchteil V_BC des Spannungsabfalls V_AC zwischen den Knoten B und C anliegt. Das heißt, die LED-Kette LD₁, LD₂, ... LD_N hat einen Mittelabgriff, der mit dem Schaltungsknoten B verbunden ist. Das Verhältnis k_nominal zwischen der Teilspannung V_BC und dem Spannungsabfall V_AC über der LED-Kette ist (ungefähr) $${\text{k}}_{\text{nominal}}=\text{m/N},$$

  

  wobei N die Anzahl der LED in der Kette und m die Anzahl der LEDs zwischen dem Mittelabgriff der LED-Kette (Knoten B) und dem Schaltungsknoten C ist. Das Verhältnis k_nominal ist daher ein vordefinierter Wert, der abhängig von dem physikalischen Aufbau der LED-Kette ist.
• Die Schaltung aus 1 umfasst weiter eine Auswerteeinheit, welche mit den Schaltungsknoten A, B und C gekoppelt ist. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, zu prüfen, ob das elektrische Potential V_B an dem dritten Schaltungsknoten B sich innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs um den Nennwert k_nominal·V_AC befindet. Wie bereits erwähnt ist der Nennwert k_nominal·V_AC definiert als Bruchteil k_nomional=m/N der Potentialdifferenz V_AC zwischen den Schaltungsknoten A und C.
• Durch Verwendung eines vordefinierten Bruchteils k_nominal·V_AC der Spannung V_AC über der LED-Kette als Kriterium anstatt der Verwendung eines festen Spannungsschwellwertes für die Beurteilung, ob die LED-Kette eine fehlerhafte LED aufweist, wird die Fehlererkennung zuverlässiger und robuster gegen Variationen der Durchlassspannungen der einzelnen LEDs, wobei diese Variationen unter Anderem aufgrund von Temperaturschwankungen oder Alterungseffekten auftreten können.
• Wie in dem Beispiel aus 1 dargestellt, kann die Auswerteeinheit einen Spannungsteiler umfassen, der mit den Schaltungsknoten A und C verbunden und dazu ausgebildet ist, an einem Zwischenabgriff S den oben erwähnten vordefinierten Bruchteil V_SC=k_nominal·V_AC der Potentialdifferenz V_AC zwischen den Schaltungsknoten A und C bereitzustellen. D.h., der Spannungsteiler stellt den Spannungsbruchteil V_SC zur Verfügung, der ungefähr gleich dem Spannungsbruchteil V_BC ist, welcher von der LED-Kette erzeugt wird für den Fall, dass alle LED der Kette funktionieren.
• Im Falle eines Kurzschlusses zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss von zumindest einer LED der LED-Kette ändert sich das tatsächliche Verhältnis k=V_BC/V_AC entweder zu $$\text{k}=\text{m/}\left(\text{N}-1\right),\text{ sodass k}>{\text{k}}_{\text{nominal}}$$

  

  in jenen Fällen, in denen die fehlerhafte LED zwischen den Schaltungsknoten A und B liegt oder zu $$\text{k}=\left(\text{m}-\text{1}\right)\text{/}\left(\text{N}-1\right),\text{ sodass k}<{\text{k}}_{\text{nominal}}$$

  

  in jenen Fällen, in denen die fehlerhafte LED zwischen den Schaltungsknoten B und C liegt. Durch Auswerten der oben genannten Ungleichungen ist sogar eine Lokalisierung der defekten LEDs möglich. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn eine Beleuchtungseinheit zwei räumlich getrennte LED-Kettenabschnitte abweist, die in Serie zueinander geschaltet sind, wobei der Schaltungsknoten B die Beleuchtungseinheit zwischen diesen beiden Kettenabschnitten kontaktiert. So wird es möglich, eine fehlerhafte LED in dem ersten oder dem zweiten Kettenabschnitt zu lokalisieren.
• Durch Überprüfen, ob der Spannungsbruchteil V_BC = k-V_AC ungefähr gleich der Spannung V_SC = k_nominal·V_AC ist, kann die Integrität der LED-Kette (bzw. der LED-Kettenabschnitte) getestet werden. In der Praxis bedeutet „ungefähr gleich“, dass die Spannung V_BC = k·V_AC innerhalb eines gewissen Toleranzbereichs ΔV um die Spannung V_SC = k_nominal ^.V_AC liegt, wie z. B. V_BC ∈ [V_SC-ΔV, V_SC+ΔV], was gleichbedeutend ist mit k _∈ [k_nominal-Δk, k_nominal+Δk] für den Fall, dass nur die Verhältnisse der Spannungen betrachtet werden (wobei ΔV = Δk-V_AC ist).
• Der oben beschriebene Vergleich zwischen den Spannungen V_BC und V_SC kann z. B. durch die Verwendung eines Fenster-Komparators implementiert werden, der ein verhältnismäßig „schmales“ Fenster im Vergleich zu dem Absolutwert des Spannungsbruchteils V_BC (oder V_SC) aufweist. In dem Beispiel aus 1 ist der Fensterkomparator durch die zwei Komparatoren K₁ und K₂ verwirklicht, wobei jeder eine Hysterese von ΔV aufweist, sowie durch ein ODER-Gatter G₁ , welches die Ausgangssignale der Komparatoren K₁ und K₂ verknüpft. Der Ausgang des ODER-Gatters G₁ zeigt an, ob eine fehlerhafte LED in der LED-Kette detektiert wurde oder ob die LED-Kette voll funktionsfähig ist.
• In dem Beispiel aus 1 umfasst der resistive Spannungsteiler die gleiche Anzahl von Widerständen wie LEDs in der Beleuchtungseinheit vorhanden sind. Jedoch gibt es keine Notwendigkeit für eine bestimmte Anzahl von Widerständen, solange das Soll-Teilungsverhältnis k_nominal passend eingestellt werden kann. Das gleiche Ergebnis kann auch durch einen resistiven Spannungsteiler erreicht werden, der ein (digitales oder analoges) Potentiometer aufweist.
• Wie oben bereits erwähnt muss das Fenster des Fenster-Komparators verhältnismäßig schmal sein, da die Flussspannung einer einzelnen LED nicht sonderlich hoch ist (z. B. V_LED ungefähr 3,2 Volt). Wenn das Fenster jedoch zu schmal ausgelegt wird, kann die Spannung V_BC das „erlaubte“ Intervall [V_SC-ΔV, V_SC+ΔV] aufgrund von Temperaturdrifteffekten verlassen, wodurch irrtümlicherweise eine Fehlfunktion signalisiert wird. Eine minimale Breite des Fensters ist aufgrund dieses Effekts notwendig.
• Des Weiteren ist zu Bedenken, dass die Flussspannung jeder einzelnen LED aufgrund unvermeidbarer Toleranzen (Unsicherheiten) im Produktionsprozess variieren kann. Daher ist die tatsächliche Flussspannung V_LED jeder einzelnen LED mit einer Standardabweichung ΔV_LED behaftet (entspricht einer Varianz ΔV_LED ²). Unter Berücksichtigung der Fehlerfortpflanzung für statistische Fehler berechnet sich die resultierende Standartabweichung ΔV_AC des Spannungsabfalls V_AC über einer LED-Kette mit einer Anzahl von N LEDs wie folgt: $$\mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{AC}}=\sqrt{\text{N}}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}},$$

  

  und $${\text{V}}_{\text{AC}}=\text{N}\cdot {\text{V}}_{\text{LED}}\pm \sqrt{\text{N}}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}}.$$

  
• Folglich ist die Spannung V_BC am Mittelabgriff B der LED-Kette (unter der Annahme, dass die Anzahl der LEDs zwischen dem Anschluss C und dem Mittelangriff N/2 beträgt): $${\text{V}}_{\text{BC}}=\left(\text{N/}2\right)\cdot {\text{V}}_{\text{LED}}\pm \sqrt{\text{N/}2}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}},$$

  

  wohingegen die Spannung V_SC am Ausgangsanschluss S des Spannungsteilers V_AC/2 beträgt. Das heißt: $${\text{V}}_{\text{SC}}=\left(\text{N/}2\right)\cdot {\text{V}}_{\text{LED}}\pm \left(\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)\cdot \sqrt{\text{N}}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}}.$$

  
• Ähnliche Überlegungen wie die obigen können für die Spannungsdifferenz V_BS = V_BC - V_SC gemacht werden, welche den Fenster-Komparator zugeführt wird. Die Differenzspannung V_BS kann wie folgt berechnet werden: $${\text{V}}_{\text{BS}}={\text{V}}_{\text{BC}}-{\text{V}}_{\text{SC}}=0\pm \left(\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)\cdot \sqrt{\text{N}}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}}.$$

  
• Der Fenster-Komparator implementiert die Ungleichung |V_BS|<V_TH (wobei der Schwellwert V_TH der halben Fensterbreite entspricht). Daraus kann schlussgefolgert werden, dass $${\text{V}}_{\text{TH}}>\left|\sqrt{\text{N}}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}}\text{/}2\right|.$$

  
• Andernfalls könnte eine Fehlfunktion irrtümlicher Weise detektiert werden aufgrund der Toleranzen der Flussspannung V_LED.
• Wenn eine LED zwischen dem Anschluss A und dem Mittelabgriff B kurzgeschlossen ist, dann ergibt sich für die Spannungsdifferenz V_BS=V_BC-V_SC (wobei N durch N-1 im Ausdruck für V_SC substituiert wird): $${\text{V}}_{\text{BS}}={\text{V}}_{\text{BC}}-{\text{V}}_{\text{SC}}={\text{V}}_{\text{LED}}\text{/}2\pm \left(1\text{/}2\right)\cdot \sqrt{\text{N}-\text{1}}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}}.$$

  
• Um eine Fehlfunktion korrekt zu erkennen, muss die durch den Fenster-Komparator implementierte Ungleichung folgende Bedingung erfüllen $${\text{V}}_{\text{TH}}<{\text{V}}_{\text{LED}}\text{/}2-\sqrt{\text{N}-\text{1}}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}}\text{/}2.$$

  
• Für eine korrekte Erkennung einer kurzgeschlossenen LED muss der Komparator die oben aufgeführten Ungleichungen (1) und (2) erfüllen. Diese Ungleichungen gelten solange N<N_MAX, wobei der Vergleich der rechten Seiten der Ungleichungen (1) und (2) folgendes ergibt: $${\text{V}}_{\text{LED}}=\left\{\sqrt{{\text{N}}_{\text{MAX}}}+\sqrt{{\text{N}}_{\text{MAX}}-1}\right\}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}}\approx 2\cdot \sqrt{{\text{N}}_{\text{MAX}}}\cdot \mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}},$$

  

  und $${\text{N}}_{\text{MAX}}=\left(\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.\right)\cdot {\left({\text{V}}_{\text{LED}}\text{/}\mathrm{\Delta }{\text{V}}_{\text{LED}}\right)}^2$$

  
• Für eine Flussspannung V_LED=3,2 Volt und eine Standardabweichung ΔV_LED=0,5 Volt (entspricht z. B. der Spezifikation der OSRAM Golden DRAGON Plus LED) kann schlussgefolgert werden, dass die Anzahl der LEDs in der LED-Kette gleich oder kleiner sein muss als N_MAX=10.
• Die obigen Überlegungen zeigen, dass die Schaltung aus 1 zum Detektieren kurzgeschlossener LEDs für LED-Ketten mit einer hohen Anzahl von LEDs nicht korrekt funktioniert. Folglich besteht ein Bedarf an einer Schaltung zum Detektieren von Fehlfunktionen in einer Beleuchtungseinrichtung, die eine Vielzahl (z. B. mehr als 10) von Leuchtdioden umfasst.
• In dem Beispiel aus 2 wurde der resistive Spannungsteiler aus 1, der ein festes Teilungsverhältnis m/N aufweist, ersetzt durch ein Digitalpotentiometer, das eine Serienschaltung von Widerständen R₁ , R₂ ,..., R_K mit jeweils gleichen Widerstandswerten umfasst (wobei z.B. k=256). Dabei sind die Schaltungsknoten zwischen jeweils zwei benachbarten Widerständen mit einem Multiplexer MUX verbunden. D.h. der Multiplexer MUX stellt, nach Maßgabe eines (z.B. 8 Bit-) Steuersignals CTRL, eine Verbindung zu einem auswählbarem Schaltungsknoten zwischen zwei benachbarten Widerständen her, um so das nominelle Teilungsverhältnis k_nominal einzustellen. Im Fall eines 8 Bit-Digitalpotentiometers kann das Verhältnis in Schritten von 1/255 (ungefähr 0,39%) des Gesamtwiderstandswertes (Summe aller Widerstände R_i, i=1, 2, ... K) eingestellt werden.
• Die Verwendung eines Digitalpotentiometers ermöglicht das Einstellen des nominalen Verhältnisses k_nominal auf einen derartigen Wert (anstatt k_{nominal =} ^m/_N), dass das Potenzial V_B (oder die Spannung V_BC) an dem Mittelabgriff der LED-Kette und das Potenzial V_S (oder die Spannung V_SC) an dem Ausgang des Multiplexers MUX ungefähr gleich ist. In anderen Worten, die Spannungsdifferenz V_BS, die dem Komparator zugeführt wird, wird auf 0 abgeglichen, wodurch die Auswirkung der Produktionstoleranzen („Produktion .......“) kompensiert wird. Dies kann am Ende der Produktion geschehen, zum Beispiel durch Messen der Differenzspannung V_BS für eine fehlerlose LED-Kette und eine anfängliche Multiplexereinstellung k_nominal (z.B. k_nominal = ^m/_N), durch Bestimmen eines geeigneten Steuersignals CTRL, welches an den Multiplexer MUX angelegt werden muss, so dass die Spannungsdifferenz V_BS=V_BC-V_SC null wird, und durch Speichern (z.B. in einem nichtflüchtigen Speicher) dieser Einstellung, so dass sie später während des Betriebs verwendet werden kann. Abhängig von den tatsächlichen Flussspannungen der einzelnen LED's in der Kette kann das während des Betriebs tatsächlich verwendete Teilerverhältnis k_nominal von dem anfänglichen Wert ^m/_N abweichen aufgrund des oben erwähnten Nullabgleichs. Statt des Nullabgleichs am Ende der Produktion oder zusätzlich zu diesen kann die Spannungsdifferenz bei jedem Einschalten der Schaltung gemessen werden. Der Fenster-Komparator muss eine Spannungsänderung von ± 0,5·(V_LED-ΔV_LED) detektieren, d.h. die Schwellwerte des Komparators sind ± 0,5·(V_LED-ΔV_LED)-V_LSB, wobei V_LSB jene Spannung ist, die dem niedrigsten Bit entspricht (least significant bit, LSB, d.h. V_AC/256).
• Es sei angemerkt, dass der Digitalpotentiometer mit den Puffern B₁ und B₂ auch als Digital-Analog-Wandler (DAC) angesehen werden kann, welchem als Referenzspannung die Spannung V_AC zugeführt ist und der eine analoge Ausgangsspannung V_SC erzeugt nach Maßgabe eines digitalen Eingangssignals CTRL. Selbstverständlich kann jeder beliebige DAC-Typ anstatt des Digitalpotentiometers verwendet werden. Eine Volldigitalimplementierung wird später unter Bezugnahme auf 3 erläutert.
• Um nicht nur Kurzschluss-Defekte sonder auch Leerlauf-Defekte erkennen zu können, können die Beispiele aus den 1 bzw. 2 eine Schaltung aufweisen zu Detektion, ob der Laststrom durch die Beleuchtungseinheit einen bestimmten nominalen Wert überschreitet oder nicht. In den dargestellten Beispielen wird ein Strommesssignal V_C mit Hilfe eines Shunt-Widerstands R_sense bereitgestellt, der in Serie zu der Beleuchtungseinrichtung geschaltet ist oder der, als Alternative, in der Beleuchtungseinheit integriert sein kann. Jedoch können auch andere Methoden zur Strommessung verwendet werden. Im Falle, dass der Laststrom der Beleuchtungseinheit mit Hilfe eines MOSFETs geschaltet wird, kann auch eine Sense-FET-Anordnung verwendet werden, um ein Strommesssignal zu erzeugen. In manchen Anwendungen kann ein den Laststrom repräsentierendes Signal direkt an der Stromquelle, welche den Strom für die Beleuchtungseinheit zur Verfügung stellt, abgegriffen werden (vgl. Stromquelle Q in den 1 und 2).
• In dem in 2 gezeigten Beispiel wird das Strommesssignal mit einem Schwellwert unter Verwendung eines Komparators K₃ verglichen, wobei der Schwellwert durch die Hysterese des Komparators K₃ bestimmt wird. Der Ausgang O_OPEN des Komparators K₃ zeigt an (durch einen entsprechenden Logikpegel „High“), ob das Strommesssignal V_C unterhalb des Schwellwerts liegt, was bedeutet, dass kein Strom durch die Beleuchtungseinheit fließt, was wiederum auf einen Leerlauf-Defekt einer LED hinweist.
• Um eine fehlerhafte Detektion eines Kurzschlusses zu vermeiden, kann der Ausgang des Fensterkomparators (umfassend K₁ , K₂ und G₁ ) mit dem Ausgang O_OPEN, der einen Leerlauf signalisiert, mit Hilfe eines weiteren Gatters G₂ verknüpft werden, so dass der Ausgang des Fensterkomparators nur dann an einen Ausgangsanschluss O_SHORT durchgeschaltet wird, wenn der Komparator K₃ nicht einen Leerlauf signalisiert. In den dargestellten Beispielen ist das Gatter G₂ ein UND-Gatter mit einem invertiertem Eingang. Jedoch können ohne Weiteres auch andere Typen von Gattern verwendet werden, um die gleiche Funktionalität zu implementieren. Des Weiteren können unterschiedliche Logikpegel („High“ oder „Low“) verwendet werden, um defekte LEDs anzuzeigen.
• Ein weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt. Dieses Beispiel stellt eine voll digitale Implementierung der Detektion fehlerhafter LEDs einer LED-Kette dar. Es verwendet zumindest einen Analog-Digital-Konverter ADC sowie eine Recheneinheit ALU (Arithmetik-Logik-Einheit), welche z.B. in einem Mikrokontroller oder einem digitalen Signalprozessor (DSP) integriert sein kann. In dem Beispiel aus 3 ist die Funktion des Fensterkomparators (vgl. 1, Komponenten K₁ , K₂ , G₁ ) in der Recheneinheit ALU digital implementiert. Daher werden die elektrischen Potentiale V_A, V_B und V_C an den Schaltungsknoten A, B bzw. C digitalisiert. Die Digitalisierung kann dabei mit Hilfe dreier Analog-Digital-Konverter parallel vorgenommen werden oder, als Alternative, mit Hilfe eines Multiplexers MUX', der sequentiell den Analog-Digital-Konverter ADC mit den Schaltungsknoten A, B bzw. C verbindet. Der Multiplexer MUX' sowie der Analog-Digital-Konverter ADC können ebenfalls durch die Recheneinheit ALU gesteuert werden. Der Recheneinheit ALU werden digitale Werte zugeführt, welche die elektrischen Potentiale V_A, V_B sowie V_C repräsentieren, und ist darauf programmiert, den Spannungsabfall V_AC über der LED-Kette zu berechnen, nämlich $${\text{V}}_{\text{AC}}={\text{V}}_{\text{A}}-{\text{V}}_{\text{C}},$$

  

  sowie den Spannungsbruchteil V_BC an einem Mittenabgriff der LED-Kette $${\text{V}}_{\text{BC}}={\text{V}}_{\text{B}}-{\text{V}}_{\text{C}}.$$

  
• Nachdem die Spannungswerte V_AC sowie V_BC berechnet worden sind, kann der aktuelle Wert V_BC mit dem nominellen Wert k_nominal ^.V_AC verglichen werden, wie dies bereits oben unter Bezugnahme auf das Beispiel ais 2 erläutert wurde, wobei der Faktor k_nominal anfangs auf den Wert V_BC/V_AC gesetzt wird, so dass - im Falle einer fehlerlosen LED-Kette - die tatsächlichen Werte der Spannungen V_BC und V_SC = k_nominal▪V_AC gleich sind und die Differenz V_BS=V_BC-V_SC null ergibt.
• Vor dem Nullabgleich kann der Faktor k_nominal auf den Angangswert k_nominal=^m/_N gesetzt werden, wobei N der gesamten Anzahl der in Serie geschalteten LEDs in der LED-Kette entspricht und m die Zahl jener LEDs ist, welche zwischen die Schaltungsknoten B und C geschaltet sind. Daraus folgend kann der Faktor k_nominal „abgesimmt“ werden wie oben bereits unter Bezugnahme auf 2 erläutert. Analog zu dem Beispiel aus 2 kann der Digitalwert, der das Potenzial V_C repräsentiert, als Strommesssignal verwendet werden. Folglich kann der das Potenzial V_C repräsentierende Digitalwert verwendet werden, um zu prüfen, ob ein „Leerlauf-Fehler“ (open circuit defect) in einer der LEDs vorliegt, was dann der Fall ist, wenn V_C nicht einen vorgegebenen Schwellwert V_TH überschreitet.
• Ein beispielhafter Algorithmus, der von der Recheneinheit ALU ausgeführt werden kann, ist im Folgenden dargestellt:
• wenn V_C > V_TH, dann
  • berechne V_AC und V_BC;
  • berechne V_SC = m·V_AC/N;
  • wenn V_BC < (V_SC-ΔV) oder V_BC > (V_SC+ΔV), dann
    • signalisiere Kurzschluss;
• andernfalls
  • signalisiere Leerlauf.
• Für einen Fachmann ist erkennbar, dass der obige Algorithmus auf unterschiedliche Weise abgeändert werden kann, ohne dessen eigentliche Funktion zu verändern. Abhängig von der verwendeten Hardware (z. B. der Recheneinheit ALU) kann die optimale Implementierung aufgrund spezieller Anforderungen der Hardware variieren. Eine alternative Implementierung des obigen Algorithmus könnte z.B. wie folgt aussehen:
• wenn V_C > V_TH, dann
  • berechne V_AC und V_BC;
  • berechne k = V_BC/V_AC;
  • berechne k_nominal = m/N;
  • wenn k < (k_nominal-Δk) oder k > (k_nominal+Δk), dann
    • signalisiere Kurzschluss;
• andernfalls
  • signalisiere Leerlauf.
• Die oben beschriebe Schaltung zur Fehlererkennung kann kombiniert werden mit einer Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Beleuchtungseinheit mit einem bestimmten Laststrom-Sollwert zu versorgen. Eine Stromquelle Q, wie sie z.B. in den 2 und 3 dargestellt ist, kann als Teil der Treiberschaltung angesehen werden. Um die Schaltung zur Fehlererkennung von der Beleuchtungseinheit zu entkoppeln, können Puffer B₁ und B₂ (Impedanzwandler) mit einer hohen Eingangsimpedanz verwendet werden, um zu vermeiden, dass ein Teil des Laststroms über den Spannungsteiler aus der 2 abfließt. Sofern jedoch der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers hoch genug ist, können die Puffer auch weggelassen und durch eine direkte Verbindung zwischen dem Spannungsteiler und der Beleuchtungseinrichtung ersetzt werden. Puffer können auch eingangsseitig mit dem Analog-Digital-Wandler verbunden werden (vgl. das Beispiel aus 3), wenn die Eingangsimpedanz des Analog-Digital-Wandlers nicht hoch genug ist.
• Nachdem eine kurzgeschlossene LED detektiert wurde, wird das Verhältnis k_nominal reinitialisiert, so dass die Differenzspannung V_BS wieder auf Null abgeglichen wird, um in der Lage zu sein, zu detektieren, wann eine zweite LED in Form eines Kurzschlusses ausfällt. Gleichzeitig ein Zählerwert inkrementiert, um die Anzahl der fehlerhaften (kurzgeschlossenen) LED's in der LED-Kette zu zählen. Das zählen der fehlerhaften LED's ermöglicht die Feststellung, wann die Beleuchtungseinrichtung mit der LED-Kette ausgetauscht werden muss, weil zu viele LED's ausgefallen sind und die verbleibende Intensität zu gering ist.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Erkennung von Fehlfunktionen in einer Beleuchtungseinheit, die eine Vielzahl von in Serie geschalteter Leuchtdioden (LD₁, LD₂, ..., LD_N) aufweist; die Vorrichtung umfasst: einen ersten, einen zweiten und einen dritten Schaltungsknoten (A; C; B), die eine Schnittstelle zu der Beleuchtungseinheit bilden, so dass die Spannung (V_AC), welche die Vielzahl von Leuchtdioden (LD₁, LD₂, ..., LD_N) versorgt, zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten (A; C) anliegt und ein erster Bruchteil der Versorgungsspannung (V_BC) zwischen dem dritten und dem zweiten Schaltungsknoten (B; C) anliegt; eine Auswerteeinheit, die mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Schaltungsknoten (A; B; C) verbunden und dazu ausgebildet ist, auszuwerten, ob der erste Bruchteil der Versorgungsspannung (V_BC) innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs (ΔV) um einen Sollwert liegt, der definiert ist als zweiter Bruchteil der Versorgungsspannung (k_nominal· V_AC), wobei der zweite Bruchteil (k_nominal·V_AC) derart voreingestellt ist, dass der Sollwert im Wesentlichen gleich jener Spannung ist, welche zwischen dritten und zweiten Schaltungsknoten anliegt, wenn die Beleuchtungseinheit ausschließlich funktionsfähige LEDs umfasst; und eine Schaltungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, wenn eine defekte Leuchtdiode detektiert wurde, den voreingestellten zweiten Bruchteil (V_SC) zu aktualisieren, sodass der zweite Bruchteil (k_nominal· V_AC) wieder dem ersten Bruchteil (V_BC) der Versorgungsspannung entspricht, und die weiter dazu ausgebildet ist, einen Zähler zu erhöhen, der die Anzahl der defekten Leuchtdioden zählt.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit eine Messschaltung (R_SENSE) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Signal (Vc) bereitzustellen, welches den Laststrom repräsentiert, der durch die Beleuchtungseinheit fließt.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Auswerteschaltung einen Komparator (K3) aufweist, der dazu ausgebildet ist, abhängig vom den Laststrom repräsentierenden Signal (Vc) ein erstes Ausgangssignal (O_OPEN) zur Verfügung zu stellen, das anzeigt, ob in der Beleuchtungseinheit ein Leerlauf-Defekt vorliegt.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auswerteeinheit einen Spannungsteiler (R₁, R₂, ..., R_m, R_m+1, ..., R_N) aufweist, der an den ersten und den zweiten Schaltungsknoten (A; C) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, an einem Mittelabgriff einen einstellbaren Bruchteil (k_nominal· V_AC) der Potenzialdifferenz (V_AC) zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten (A; C) bereitzustellen, wobei der Bruchteil so eingestellt wird, dass die Spannung (Vsc) an dem Mittelabgriff gleich jener Spannung (V_BC) ist, welche zwischen dem dritten und dem zweiten Schaltungsknoten abfällt, wenn die Beleuchtungseinheit ausschließlich funktionsfähige LEDs umfasst.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswerteeinheit einen Fensterkomparator (K₁, K₂) umfasst, dem als Eingangssignale das elektrische Potential (V_BC) an dem dritten Schaltungsknoten (B) sowie der vordefinierte Bruchteil des Potenzialdifferenz (V_AC) zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (A; C) zugeführt sind.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Auswerteeinheit Folgendes aufweist: eine Messschaltung (R_SENSE), die dazu ausgebildet ist, ein Signal bereitzustellen, welches den Laststrom durch die Beleuchtungseinheit repräsentiert; und einen Komparator (K3), der dazu ausgebildet ist, abhängig von dem den Laststrom repräsentierenden Signal ein erstes Ausgangssignal (O_OPEN) bereitzustellen, welches anzeigt, ob die Beleuchtungseinrichtung einen Leerlaufdefekt aufweist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Auswerteeinheit des Weiteren eine Logikschaltung (G₁) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein zweites Ausgangssignal (O_SHORT) bereitzustellen, welche anzeigt, ob die Beleuchtungseinrichtung einen Kurzschluss aufweist, wobei das zweite Ausgangssignal (O_SHORT) das Ausgangssignal des Fensterkomparators repräsentiert für den Fall, dass das erste Ausgangssignal keinen Leerlaufdefekt anzeigt.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auswerteeinheit einen Spannungsteiler umfasst, der an den ersten und den zweiten Schaltungsknoten (A; C) gekoppelt ist; der Spannungsteiler weist auf: eine Vielzahl von Mittelabgriffen; und einen Multiplexer (MUX), der dazu ausgebildet ist einen der Mittelabgriffe nach Maßgabe eines Steuersignals (CTRL) auszuwählen und diesen mit einem Ausgang des Multiplexers (MUX) zu verbinden, wodurch ein elektrisches Potential am Ausgang des Multiplexers bereitgestellt ist, welches einen zweiten Bruchteil der Versorgungsspannung (V_AC), die zwischen den ersten und den zweiten Schaltungsknoten (A; C) anliegt, bildet, wobei das Steuersignal (CTRL) derart voreingestellt wird, dass die Spannung (Vsc) am Ausgang des Multiplexers im Wesentlichen gleich der an den dritten Schaltungsknoten (B) anliegenden Spannung (V_BC) ist, für den Fall, dass die Beleuchtungseinrichtung nur funktionsfähige LEDs umfasst.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Auswerteeinheit einen Analog/Digital-Wandler (ADC) aufweist, der mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Schaltungsknoten (A; B; C) verbunden und dazu ausgebildet ist, Digitalwerte zur Verfügung zu stellen, welche den elektrischen Potentialen (V_A, V_B, V_C), die an dem ersten, dem zweiten bzw. dem dritten Schaltungsknoten (A, B, C) anliegen, repräsentieren.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei der Analog/Digital-Wandler einen Multiplexer aufweist, wobei der Multiplexer derart mit dem Analog/Digital-Wandler (ADC) verbunden ist, dass der Multiplexer sequentiell die elektrischen Potentiale Potentialen (V_A, V_B, V_C),dem Analog/Digital-Wandler (ADC) zuführt.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Auswerteschaltung des Weiteren eine Recheneinheit (µC, DSP) umfasst, die mit dem Analog/Digital-Wandler (ADC) verbunden ist, wobei die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, zu entscheiden, ob der Digitalwert, der den elektrischen Potential (V_B) am dritten Schaltungsknoten (B) repräsentiert, größer ist als der voreingestellte zweite Bruchteil zusätzlich einer zusätzlichen Toleranz, oder geringer ist als der voreingestellte zweite Bruchteil abzüglich der zulässigen Toleranz.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Recheneinheit weiter dazu ausgebildet ist, einen der von dem Digital/Analog-Wandler (ADC) gewandelten Digitalwert mit einem Schwellwert zu vergleichen, wobei ein Ergebnis des Vergleichs anzeigt, ob die Beleuchtungseinrichtung einen Leerlaufdefekt aufweist.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Recheneinheit weiter dazu ausgebildet ist, anzuzeigen, dass ein Kurzschluss in der Beleuchtungseinrichtung vorliegt, wenn kein Leerlaufdefekt detektiert wird und der Digitalwert, welcher dem elektrischen Potential am dritten Schaltungsknoten entspricht, um mehr als einen zulässigen Toleranzwert von dem voreingestellten zweiten Bruchteil abweicht.
14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, die weiter eine Vielzahl von in Serie geschalteten Leuchtdioden aufweist.
15. Verfahren zum Detektierten von Fehlfunktionen in einer Beleuchtungseinrichtung, welche eine Vielzahl von Leuchtdioden umfasst, das Verfahren weist auf: Messen einer Spannung (V_AC), welche die Vielzahl von Leuchtdioden versorgt; Messen eines ersten Bruchteils der Spannung (V_BC) an einem Mittelabgriff der Serienschaltung von Leuchtdioden; und Beurteilen, ob der gemessene erste Bruchteil (V_BC) innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs um einen Sollwert (k_nominal V_AC) liegt, der als zweiter Bruchteil (Vsc) der gemessenen Versorgungsspannung definiert ist, wobei der zweite Bruchteil (Vsc) derart eingestellt wird, dass der Sollwert im Wesentlichen der Spannung (V_BC) an dem Mittelabgriff entspricht, für den Fall, dass die Beleuchtungseinrichtung nur funktionsfähige Leuchtdioden aufweist, wobei - nachdem eine kurzgeschlossene LED detektiert wurde - das Verfahren weiterhin aufweist: Aktualisieren des voreingestellten zweiten Bruchteils (Vsc), so dass dieser wieder gleich dem ersten Bruchteil (V_BC) der Versorgungsspannung entspricht, der an dem Mittelabgriff der Serienschaltung von Leuchtdioden anliegt; und Erhöhen eines Zählers, der die Anzahl der defekten LEDs zählt.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der voreingestellte zweite Bruchteil der gemessenen Spannung an einem Mittelabgriff eines programmierbaren Spannungsteilers abgegriffen wird, dem die gleiche Versorgungsspannung zugeführt wird, wie der Serienschaltung von Leuchtdioden.

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