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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Steuern einer Beleuchtungsvorrichtung für ein Fahrzeug.
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Stand der Technik
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In modernen Kraftfahrzeugen hat die Ambientebeleuchtung (Innenraumbeleuchtung) mittels Licht emittierender Dioden (LED) Einzug gehalten. Eine solche Beleuchtung wird durch Beleuchtungsvorrichtungen realisiert, die mehrfarbiges Licht ausstrahlen können. In einer solchen Beleuchtungsvorrichtung werden auf einer Platine eine oder mehrere verschiedenfarbige LEDs derart angeordnet, dass durch die unterschiedliche Intensität der Beleuchtung sich Mischfarben ausbilden. Dabei wird die unterschiedliche Intensität der Beleuchtung durch eine unterschiedliche Bestromung der einzelnen LEDs hervorgerufen.
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Ein Beispiel solcher mehrfarbigen LEDs sind sogenannte Rot-Grün-Blau(RGB)-LEDs. In diesen RGB-LEDs werden die unterschiedlichen Chips in einem Gehäuse angeordnet. Der Strom durch die LEDs bzw. die Chips wird durch die Verwendung von Vorwiderständen begrenzt, wenn die Stromversorgung durch eine feste Spannung, wie z. B. eine Bordnetzspannung, realisiert wird. Zusätzlich kann die Helligkeit jedes einzelnen Chips durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) der Versorgungsspannung gedimmt werden.
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1 zeigt eine Konfiguration einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß des Stands der Technik. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst drei LEDs 71, 72 und 73. Weiterhin umfasst die Beleuchtungsvorrichtung Vorwiderstände 61, 62 und 63 für jede LED 71, 72 und 73. Die Vorwiderstände passen die Versorgungsspannung an die Vorwärtsspannung der LEDs an. Weiterhin umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen Mikrocontroller 80, der Schalter 81, 82 und 83 umfasst. Durch An- bzw. Ausschalten der Schalter 81, 82 und 83 kann die Versorgungsspannung durch eine Pulsweitenmodulation für jede LED moduliert werden.
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Bei modernen Ambientebeleuchtungen geschieht die Anpassung der Helligkeit durch einen Mikrocontroller in Kombination mit einem LED-Treiber an der RGB-LED selbst auf ein und derselben Platine. In diesem Fall handelt es sich bei einer RGB-Beleuchtungsplatine um ein vollwertiges Steuergerät. Im Normalfall befinden sich mehrere dieser Beleuchtungsplatinen in einem Fahrzeug (bis zu 45 Stück). In manchen Fahrzeugen werden die Platinen über einen Daten-Bus (z. B. LIN) miteinander verbunden. Dies ermöglicht ein individuelles Ansprechen jeder einzelnen Platine, sodass in Abhängigkeit von der Fahrsituation einzelne Platinen ihre Farbe und/oder Intensität ändern können.
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2 zeigt eine PWM-Steuerung der LEDs 71, 72 und 73 gemäß des Stands der Technik. Durch die in 2 gezeigte PWM-Steuerung wird eine Mischfarbe erzeugt. Die PWM-Steuersignale für die LEDs beginnen am Anfang einer PWM-Periode und weisen unterschiedliche Zeitlängen auf.
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Aufgrund der großen Anzahl von verbauten LEDs in modernen Fahrzeugen, spielt die Größe der Platinen eine entscheidende Rolle. Insbesondere sollten die Platinen möglichst klein dimensioniert werden. Dies hat auch den Zweck einer weiteren Kosteneffizienz.
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Weiterhin beschreibt
DE 196 02 891 A1 ein Verfahren und eine Anordnung zur Einstellung der Helligkeit eines strom- oder spannungsgesteuerten Leuchtmittels zur Hinterleuchtung einer Anzeige für Kraftfahrzeuge. Die Anordnung umfasst drei in Reihe geschaltete LEDs und einen Vorwiderstand. Die Leuchtdioden werden mittels eines PWM-Signals von einem Microcomputer angesteuert. Das PWM-Signal ist fest eingestellt und bleibt für die Lebensdauer der LEDs erhalten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine kleine und kostengünstige Beleuchtungsvorrichtung für ein Fahrzeug bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung bereitzustellen, die die Helligkeit des ausgestrahlten Lichts unabhängig von der eingestellten Farbe konstant halten kann.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Fahrzeug eine Vielzahl von Leuchtdioden, einen Vorwiderstand, der die Vielzahl von Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle verbindet, und eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Leuchtdioden mittels Pulsweitenmodulation zu steuern, die PWM-Steuersignale für die Leuchtdioden innerhalb einer Periode nacheinander auszugeben und die Pulsweiten der PWM-Steuersignale für die Leuchtdioden zu variieren. Durch die Verwendung lediglich eines Vorwiderstandes für eine Vielzahl von Leuchtdioden können die Abmessungen der Beleuchtungsvorrichtung klein gehalten werden. Weiterhin kann dadurch, dass die PWM-Steuersignale für die Leuchtdioden innerhalb einer Periode nacheinander ausgegeben werden und die Pulsweiten der PWM-Steuersignale für die Leuchtdioden variiert werden, auch mit nur einem Vorwiderstand die Helligkeit unabhängig von der eingestellten Farbe konstant gehalten werden.
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Beispielhafterweise werden die Leuchtdioden, der Vorwiderstand und die Steuereinheit auf einer Platine angeordnet. Dementsprechend ist die Beleuchtungsvorrichtung platzsparend in einem einzelnen Bauteil angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Beleuchtungsvorrichtung im Fahrzeuginnenraum verwendet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strahlen die Leuchtdioden jeweils verschiedene Farben aus und weisen verschiedene Vorwärtsspannungen auf. Dies ist z. B. bei den RGB-LEDs der Fall.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Pulsweite des PWM-Steuersignals für die Leuchtdiode mit der geringsten maximalen Helligkeit auf die gesamte Zeitlänge der Periode eingestellt. Bei den RGB-LEDs ist z. B. die blaue LED die LED mit der geringsten maximalen Helligkeit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Summe der Pulsweiten der verschiedenen Farben ausstrahlenden Leuchtdioden kleiner als die Periode, wenn nur eine Farbe auszustrahlen ist. Somit kann die Helligkeit der verschiedenen Farben gleich gehalten werden. Dies ermöglicht auch eine bessere Farbauflösung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Frequenz der PWM-Steuersignale konstant. Dies trägt auch zu einer einfachen Bauweise der Beleuchtungsvorrichtung bei.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind jeweils drei Leuchtdioden auf einer Platine angeordnet. Dies ist z. B. bei den RGB-LEDs der Fall.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vielzahl der Leuchtdioden in mehrere Gruppen eingeteilt, die durch einen Daten-Bus verbunden sind. Dementsprechend kann jede Gruppe von Leuchtdioden einzeln angesteuert werden, um z. B. eine individuelle Farbe und/oder Helligkeit aufzuweisen. Ebenso können ebenso alle Gruppen gemeinsam angesteuert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer Beleuchtungsvorrichtung für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eine Vielzahl von Leuchtdioden, einen Vorwiderstand, der die Vielzahl von Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle verbindet, und eine Steuereinheit, die eingerichtet ist die Leuchtdioden mittels Pulsweitenmodulation zu steuern, umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte Ausgeben von PWM-Steuersignalen für die Leuchtdioden nacheinander innerhalb einer Periode und Variieren der Pulsweiten der PWM-Steuersignale für die Leuchtdioden.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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1 zeigt schematisch eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß des Stands der Technik.
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2 zeigt schematisch eine PWM-Steuerung einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß des Stands der Technik.
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3 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt PWM-Steuersignale gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt ein Verfahren zum Steuern einer Beleuchtungsvorrichtung in einem Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Jedoch wird angemerkt, dass die folgende Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht als die Erfindung einschränkend angesehen werden sollte.
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3 zeigt schematisch eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst drei Leuchtdioden 21, 22 und 23. Bei der Leuchtdiode 21 handelt es sich z. B. um eine blaue LED, bei der Leuchtdiode 22 um eine rote LED und bei der Leuchtdiode 23 um eine grüne LED. Weiterhin umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen Vorwiderstand, der die Vielzahl von Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle verbindet. Bei der Spannungsquelle kann es sich z. B. um eine Fahrzeugbatterie eines Bordnetzes handeln, die eine Spannung von 12 V liefert.
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Weiterhin umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine Steuereinheit 30. Die Steuereinheit wird mit der Batteriespannung Vbat versorgt. Diese Spannungsversorgung geschieht über einen Verpolschutz 50. Weiterhin ist die Steuereinheit mit einem LIN-Bus verbunden. Über den LIN-Bus erhält die Steuereinheit z. B. Einstellwerte für die Helligkeit und/oder die Farbe des Lichts, das von der Beleuchtungsvorrichtung auszustrahlen ist. Weiterhin ist die Steuereinheit mit der Masse GND verbunden.
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Die Steuereinheit 30 steuert die Leuchtdioden 21, 22 und 23 mittels Pulsweitenmodulation (PWM). Hierzu umfasst die Steuereinheit 30 Schalter 31, 32 und 33. Bevorzugterweise sind die Schalter 31, 32 und 33 als Halbleiterschalter ausgebildet, wie z. B. MOSFETs.
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Die Steuereinheit 30 ist z. B. als Mikrocontroller (μC) ausgebildet, um eine kompakte Bauweise der Beleuchtungsvorrichtung zu ermöglichen. Zum gleichen Zweck sind die Leuchtdioden 21, 22, 23, der Vorwiderstand 10 und die Steuereinheit auf einer Platine angeordnet.
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Insbesondere kann die Beleuchtungsvorrichtung 30 für eine Innenraumbeleuchtung eines Fahrzeugs verwendet werden. In diesem Fall kann eine Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen im Fahrzeuginnenraum angeordnet werden und mittels des LIN-Buses individuell gesteuert werden.
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Die Erfindung ermöglicht die Verwendung eines Vorwidertandes für alle drei Leuchtdioden 21, 22, 23, statt wie üblich für jede LED einen Vorwiderstand zu verwenden (vgl. 1).
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Ein wichtiger Aspekt bei der Ambientenbeleuchtung in einem Fahrzeug ist die Vorgabe der konstanten Helligkeit unabhängig von der eingestellten Farbe. Die blaue LED 21 leuchtet bei gleichem Strom am wenigsten hell und stellt damit den Schlimmstfall dar. Jede andere erzeugte Farbe wird bei gleichem Strom heller leuchten bzw. gleich hell mit weniger Strom leuchten. Die Verwendung eines einzigen Vorwiderstands für alle Leuchtdioden hat somit Auswirkungen auf die PWM-Steuerung. Insbesondere funktioniert ein gleichzeitiges Einschalten der PWM-Steuersignale nur bei einer Verwendung von jeweils einem Vorwiderstand für jede Leuchtdiode, da die Vorwärtsspannungen der einzelnen Leuchtdioden und damit der Spannungsabfall in den Leuchtdioden unterschiedlich sind.
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Aufgrund des oben beschriebenen Zusammenhangs zwischen Strom und Helligkeit, wird die Beleuchtungsvorrichtung an der Leuchtdiode mit der geringsten maximalen Helligkeit oder der größten Vorwärtsspannung ausgelegt. Dies kann z. B. die blaue LED sein.
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4 zeigt eine PWM-Steuerung der Leuchtdioden 21, 22, 23. Insbesondere zeigt 4 die zeitliche Verteilung der PWM-Steuersignale für die jeweiligen LEDs. In 4 entspricht 100% auf die X-Achse der Länge eines PWM-Takts bzw. einer Periode. Die Zeitlänge einer solchen Periode kann z. B. 0,1 ms betragen. Die weiteren Prozentzahlen zeigen an, wie lange eine Leuchtdiode innerhalb eines PWM-Taktes angesteuert wird. Insbesondere bezeichnet die Prozentangabe den Tastgrad der PWM-Steuersignale. Der Tastgrad ist definiert als Quotient der Impulsdauer durch die Periodendauer.
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Dadurch, dass die Beleuchtungsvorrichtung an der blauen LED ausgelegt ist, wird die maximale Helligkeit der Beleuchtungsvorrichtung durch eine 100%ige Ansteuerung der blauen LED definiert. Bei jeder anderen Farbe (Mischfarbe) wird die Pulsweite der blauen LED reduziert und die Pulsweiten der anderen LEDs erhöht. Aufgrund der konstanten Helligkeitsanforderung ist die Summe der einzelnen Pulsweiten der LEDs (rot, grün und blau) immer geringer als 100%.
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Weiterhin zeigt 4, dass die Dioden 21, 22, 23 nacheinander angesteuert werden. Insbesondere überlappen die PWM-Steuersignale für die Leuchtdioden 21, 22, 23 nicht. Wenn die PWM-Steuersignale nacheinander gestartet werden, kann der Vorwiderstand der blauen LED (der auf den Schlimmstfall ausgelegt ist) bei einer Mischfarbe auch für die anderen LEDs verwendet werden. Da der Gesamtstrom für alle drei LEDs immer kleiner als der Schlimmstfall (die blaue LED ist zu 100% angesteuert), braucht die maximale Verlustleistung des verbleibenden Widerstandes nicht angepasst (vergrößert) zu werden. Die maximale Verlustleistung entsteht auch hier beim Schlimmstfall. Somit kann der gleiche Widerstand, der für die blaue LED dimensioniert wurde, für alle drei LEDs verwendet werden. Dadurch können nicht nur Kosten reduziert werden (Widerstand, Bestückung, AOI-Test etc.) sondern vor allem der benötigte Bauraum auf der Platine kann reduziert werden. Da naturgemäß die Beleuchtungsplatinen sehr klein sind (z. B. 8 × 11 mm) ist dies neben den reduzierten Kosten ein entscheidender Vorteil.
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Weiterhin zeichnet sich die Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung dadurch aus, dass die PWM-Steuerung dynamisch durchgeführt wird. Insbesondere können die Pulsweiten der PWM-Steuersignale für die Leuchtdioden dynamisch variiert werden. Die Pulsweiten sind nur dadurch beschränkt, dass eine konstante Helligkeit erreicht wird. Insbesondere ist den einzelnen LEDs kein bestimmter Zeitabschnitt innerhalb einer Periode zugeordnet. Dadurch kann eine größere Dynamik der Beleuchtungsvorrichtung erreicht werden und eine größere Farbanzahl dargestellt werden. Insbesondere können die Pulsweiten in verschiedenen PWM-Takten beliebig variiert werden.
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5 zeigt schematisch ein Verfahren zum Steuern einer Beleuchtungsvorrichtung für ein Fahrzeug. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Vielzahl von Leuchtdioden, ein Vorwiderstand, in der die Vielzahl von Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle verbindet und eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Leuchtdioden mittels Pulsweitenmodulation zu steuern. Insbesondere umfasst das Verfahren einen Schritt S1 zum Ausgeben von PWM-Steuersignalen für die Leuchtdioden nacheinander innerhalb einer Periode. Weiterhin umfasst das Verfahren den Schritt S2 zum Variieren der Pulsweiten der PWM-Steuersignale für die Leuchtdioden.
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In der vorhergehenden Beschreibung wurde die Beleuchtungsvorrichtung als Teil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, dass das Konzept der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch anwendbar in anderen Umgebungen ist, in der eine Beleuchtung mit verschiedenen Farben und konstanter Helligkeit von Nöten ist.
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Insbesondere erkennt der Fachmann, dass verschiedenen Modifikation und Variationen der Vorrichtung und des Verfahrens der Erfindung durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Ferner wurde die Erfindung in Bezug auf bestimmte Beispiele beschrieben, die jedoch nur zum verbesserten Verständnis der Erfindung dienen soll, und diese nicht einschränken soll. Der Fachmann erkennt auch sofort, dass viele verschiedene Kombinationen der Elemente zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Deshalb wird der Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche gekennzeichnet.
