DE102014019434B4

DE102014019434B4 - Schaltung mit einem Mikrocontroller zum Betrieb von LEDs und zur Berechnung der LED Junction Temperatur

Info

Publication number: DE102014019434B4
Application number: DE102014019434.5A
Authority: DE
Inventors: Jörg Niggemeyer
Original assignee: Nucon Gbr Gert G Niggemeyer & Jorg Niggemeyer (vertretungsberechtigter Gesellschafter Herr Jorg Ni; Nucon Gbr Gert G Niggemeyer & Jorg Niggemeyer (vertretungsberechtigter Gesellschafter Herr Jorg Niggemeyer 21244 Buchholz)
Current assignee: NIGGEMEYER, JOERG, DIPL.-PHYS., DE
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2034-12-23
Also published as: US20150245429A1; DE202014001507U1; US9326349B2; DE102014019434A1

Abstract

Schaltung zum Betrieb und zur Bestimmung der Temperatur einer oder mehreren LEDs (8) deren Versorgung periodisch unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein kleiner Messkondensator (5) der LED oder mehreren LEDs (8) parallel geschaltet ist und ein Mikrocontroller (16) die Vorwärtsspannung der LED oder der mehreren LEDs bei geringer Stromstärke ermittelt, indem er nach dem Abschalten (F) der LED oder der mehreren LEDs (8) die Spannung (V LED) während der Entladung Messkondensators (5) wie folgt aufnimmt und auswertet: Sobald der schnelle Entladevorgang des Messkondensators über die LED oder die LEDs abgeschlossen ist (B, G), wird der Spannungswert (E) des in den flachen langsameren Entladevorgang übergegangen Bereichs (t > G) erfasst und diesem Spannungswert (E) ein Temperaturwert zugeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den sicheren Betrieb von LEDs, wie sie z. B. in automobilen Scheinwerfern eingesetzt werden. Die Temperatur von LEDs, deren eigentliche Halbleiter, engl. Junction, darf ihren Grenzwert nicht überschreiten, ansonsten werden LEDs geschädigt oder zerstört. Der Wirkungsgrad von LEDs nimmt mit steigender Temperatur ab, zudem findet eine leichte Farbverschiebung des emittierten Lichtes statt, so dass die Temperatur ein Parameter ist, der zum sicheren Betrieb von LEDs beachtet werden muss.
Mit einem Temperaturfühler, der in der Nähe von LEDs verbaut und thermisch gekoppelt ist, kann die Temperatur gemessen werden. Dieser Wert weicht jedoch von der realen LED Junction Temperatur ab und zwar um so mehr je größer der Abstand des Fühlers ist. Durch den Wärmewiderstand der Anbindung der LEDs auf dem gemeinsamen Kühlkörper wird außerdem eine weitere Erhöhung der Junction Temperatur proportional zur Leistung verursacht.
Vorteilhaft ist es, die Junction Temperatur von LEDs direkt durch die Strom und Spannungswerte zu bestimmen, um einen externen Temperaturfühler einzusparen und die Lebensdauer der LED durch die Vermeidung von Überhitzung zu erhalten.
Aus der WO 2009/095854 A2 ist bereits ein solches Verfahren bekannt, das zwecks LED-Junction Temperaturerfassung zwischen einem hohen Laststrom und einem kleinen Referenzstrom umschaltet, um die LED-Vorwärtsspannung bei geringer Stromstärke zu messen.
Aufgabe der erfindungsgemäßen Schaltung ist es, mit geringst möglichem Bauteile- und Kosten-Aufwand und in sehr kurzer Zeit, den Spannungswert der LEDs bei geringer Stromstärke zu ermitteln, um die Junction-Temperatur der LEDs daraus genau zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Schaltung wertet also die temperaturabhängige Diodenfunktion von LEDs als Sensor aus. Die dafür notwendigen Berechnungen und Messungen übernimmt ein Mikrocontroller, dessen Rechenleistung und Steuerelemente es auch ermöglichen ICs zur Steuerung von LEDs einzusparen.
Falls man den Strom und die Spannung der LEDs sehr genau kennt, so lässt sich daraus die Temperatur berechnen und entsprechend das Limit der maximalen Stromstärke einhalten.
Um die Spannung der LEDs genau ermitteln zu können ist es notwendig, dies bei einer niedrigen Stromstärke durchzuführen, weil sonst durch Spannungsabfälle über die Zuleitungen zum eigentlichen Halbleiter der LEDs – der Junction – durch hohe Stromstärken dieser Wert verfälscht wird, so dass es zu großen Abweichungen der errechneten Junction Temperatur kommt.
Die PWM des Mikrocontrollers dimmt LEDs. Es ist gängige Praxis mit Hilfe eines integrierten Timers ein PWM Taktsignal zu erzeugen, welches dazu benutzt wird, eine LED direkt, oder über einen Treiber, periodisch zu takten.
Die Frequenz der Taktung kann dabei so hoch gewählt werden, dass das menschliche Auge die einzelnen Lichtblitze nicht mehr wahrnimmt, so dass die LEDs von voller Helligkeit auf nahezu volle Dunkelheit gedimmt werden können, ohne dabei zu flimmern oder Interferenzen bei Videoaufnahmen zu erzeugen.
Das allgemein übliche Verfahren der PWM Dimmung ist es also, den Stromfluss der Versorgung der LEDs periodisch zu unterbrechen. Während der Einschaltdauer der LEDs, wird der Strom über die LEDs begrenzt oder so geregelt, dass der maximal zulässigen Strom der LEDs nicht überschritten wird. Aufgabe der erfindungsgemäßen Schaltung ist es, mit geringst möglichem Aufwand und in kürzester Zeit, den Spannungswert der LEDs bei geringer Stromstärke zu ermitteln, um die Temperatur der LEDs genau zu bestimmen.
Das Messen der Spannung der LEDs bei geringer Stromstärke wird dadurch erreicht, dass ein Mikrocontroller kurz nach jedem Unterbrechen der Versorgung der LEDs den Spannungswert der LEDs per ADC wandelt und auswertet.
Den LEDs wird hierzu ein kleiner Messkondensator parallel geschaltet. Unmittelbar nach dem Abschalten der LED versorgt dieser Messkondensator durch seinen Entladestrom die LED mit geringer Stromstärke. Dem Entladestrom des Messkondensators über die LEDs kann auch noch der Entladestrom einer Induktivität in Serie mit den LEDs überlagert sein. Der Messzeitpunkt muss nach dem Abschalten so spät erfolgen, dass die Summe beider Entladeströme hinreichend klein sind.
Durch die Genauigkeit und Präzision des vom Mikrocontroller periodisch vorgegebenen Messzeitpunkts, in Relation zur Abschaltzeit, lassen sich unterschiedliche Spannungshöhen dieser Messwerte auf unterschiedliche Temperaturen der LEDs direkt zurückrechnen, wenn die Betriebsspannung der LEDs konstant gehalten wurde. Sofern diese geändert wurde, um z. B. die Stromstärke der LEDs zu begrenzen, wird dies zur Korrektur mit berücksichtigt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 erläutert.
2 zeigt den Strom und Spannungsverlauf an der LED während einer Abschaltpause.
3 zeigt den Stand der Technik kopiert aus der Patentanmeldung WO 2009/095854 A2 .
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung gegenüber dem Stand der Technik, der in 3 gezeigt wird, liegt darin, dass keine aktive zweite Treiberstufe benötigt wird, um die LEDs bei geringem Strom zu betreiben und zu messen. Gegenüber dem Stand der Technik wird nicht zwischen einem hohen Laststrom und einem kleinen Referenzstrom über die LEDs umgeschaltet, sondern es wird die Versorgung der LEDs einfach komplett abgeschaltet, um nach dem Abschalten einen Spannungswert einem Messkondensator zu entnehmen, der sich über die LEDs entlädt. Es wird gegenüber dem Stand der Technik keine geregelte Stromquelle benötigt, sondern nur die taktbare Versorgung. Die erfindungsgemäße Schaltung hat ein passives Netzwerk von Bauteilen so dimensioniert, dass der Messkondensator, sobald die Versorgung unterbrochen ist, sich mit hoher Stromstärke entlädt und sich rasch auf einen niedrigeren Entladestrom einstellt, um eine direkte Messung der LED Spannung bei niedriger Stromstärke gegenüber Referenz-Masse mit einem ADC Kanal zu ermöglichen.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung unterbricht ein Mikrocontroller (16) mit einem PWM PIN (13), eine Versorgung (21) für die LEDs (8). Die schaltbare Versorgung wird über eine Induktivität (20) mit den LEDs verbunden zu denen noch parallel ein Messkondensator (5) über einen Widerstand (18) mit Masse verbindet.
Die Induktivität hat an dem Ausgangspunkt der schaltbaren Versorgung eine Freilaufdidode mit der Kathode nach Masse angeschlossen, so dass diese Schaltung einem üblichen Abwärtsschaltregler entspricht. Die schaltbare Versorgung kann entweder strom- oder auch spannunggeregelt sein.
Die Ausgangsspannung muss im eingeschalteten Zustand variabel sein, um den Strom über die LEDs zu begrenzen oder abzuregeln. Der Mikrocontroller kann hierzu ebenfalls die nötige Regelung ausführen, muss er aber nicht, da er die Leistung der LEDs durch Unterbrechen der Versorgung der LEDs dimmen und regeln kann.
Der Widerstand (18) der in Serie mit dem Messkondensator liegt, soll den Ladestoßstrom des Messkondensators begrenzen und wird so niederohmig gewählt, dass sein Entladestrom bei niedriger Stromstärke über die LEDs keinen relevanten Spannungsabfall gegenüber der Spannung der LEDs verursacht.
Von den LEDs wird die Mitte eines Spannungsteiler aus zwei Widerständen (6 und 7), die mit Masse verbunden sind, an einen ADC Eingang (14) des Mikrocontrollers geführt, an dem ein kleiner Stützkondensator (15) nach Masse die ADC Wandlung stabilisiert.
Während die Versorgung eingeschaltet ist, misst der ADC Kanal (14) die Versorgungsspannung der LED(s) unter Last und der Mikrocontroller könnte auch die Spannung oder Stromstärke mit seiner Software regeln, indem ein weiterer PWM Ausgang, falls erforderlich, einen DCDC Konverter taktet.
Sobald die Versorgung zum Dimmen für eine längere Taktpause unterbrochen wird, entlädt die Freilaufdidode die Induktivität in Richtung LEDs und der Ladungsinhalt des Messkondensators entlädt sich auch über die LEDs auf einen Sockelwert, der dann bei erheblich geringerer Stromstärke langsam weiter abnimmt.
Das Abklingen dieses weiteren Entladestromes hängt natürlich von der Dimensionierung des passiven Netzwerkes aus dem Kondensator und der Induktivität ab. Die Induktivität als auch der Kondensator sollten hinreichend klein dimensioniert sein, so dass der hohe Betriebsstrom der LEDs rasch in einen kleinen länger andauernden Entladestrom des Kondensators übergeht.
Der Entladungsvorgang des Messkondensators, bei längerer Unterbrechung der Versorgung, wird durch den Mikrocontroller ausgelöst, der den Abschaltzeitpunkt (F) abspeichert. Dadurch registriert der Mikrocontroller in Intervallen zeitlich zugeordnete Spannungswerte (E), relativ zum Abschaltzeitpunkt der Versorgung der LEDs (H). Dadurch kann der Mikrocontroller den Entladestrom des Messkondensators erfassen und dazu den zeitlich veränderlichen Spannungswert der LEDs messen und kontrollieren. Der Mikrocontroller fungiert hier als zeitlich auflösendes Messinstrument und vermisst die Diodenkennlinie im längeren Abschaltvorgang der Versorgung ähnlich eines Oszilloskops und speichert diese Daten in seinem RAM.
Sobald der schnelle Entladevorgang des Messkondensators abgeschlossen ist (B, G), wird der Spannungswert (E) des in den flachen langsameren Entladevorgang übergegangen Bereichs t > (G) erfasst.
Die Vorwärtsspannung der LEDs wird dann bei geringer Stromstärke gemessen, wenn deren Kennlinie gerade in den stärker werdenden leitfähigen Zustand übergeht. Der zugeordnete Widerstandswert der LEDs ist so groß, dass alle anderen kleineren Widerstände, die in Serie mit den LEDs vorhanden sind, z. B. deren Zuleitungen, vernachlässigt werden können.
Die Software des Mikrocontrollers kann jetzt den LEDs einen Temperaturwert für den Messpunkt V LED (E, H) zuordnen. Als Reaktion auf eine hohe Junction Temperatur der LEDs kann die elektrische Leistung der LEDs reduziert werden, indem die prozentuale Aussteuerung der Versorgung verringert wird.
Das Erfassen des Spannungswertes, bei gleicher Abschaltzeitlänge (H), ist weder von Dauer (J) noch der Frequenz der Unterbrechung abhängig. Verringert sich der Wert, so hat sich die Temperatur der LEDs erhöht, da der Messkondensator jetzt schneller über die LEDs entladen wird.
Da hier der Messkondensator auf eine Spannung geladen wird und der Entladevorgang des Kondensators überwacht wird, kann der Mikrocontroller den zugehörigen Wert des Übergangs der Diodenkennlinien (Knickspannung) ermitteln, indem beim ersten Einschalten die Versorgungsspannung schrittweise erhöht und der Entladevorgang des Messkondensators jeweils gewandelt und registriert wird.
Ist kein großer messbarer Spannungsabfall von V(D) zu V(E) vorhanden, so ist bei geringer Stromstärke die Versorgungsspannung kleiner/gleich der Knickspannung.
Da der Entladevorgang relativ schnell durch den kleinen Messkondensator erfolgt und die Induktivität ebenfalls sehr klein gewählt wird, bzw. auch ganz entfallen kann, kann die Frequenz zum Dimmen relativ hoch sein, weil die Taktpause zur Messwertgewinnung nur sehr kurz sein muss. Die Taktpause kann z. B. um die 10 us lang sein, so dass bei einer Dimmfrequenz von 1 kHz eine volle Aussteuerung von bis zu ca. 99% möglich ist.
Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht somit mehrere Entwicklungsziele: die direkte Ermittlung der Temperatur der LEDs mit einem Mikrocontroller ohne zusätzlichen Sensor, geringen Kosten und Bauteilaufwand, sowie schnelle Messwertnahme bei hohen Dimmfrequenzen.

Claims

Schaltung zum Betrieb und zur Bestimmung der Temperatur einer oder mehreren LEDs (8) deren Versorgung periodisch unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein kleiner Messkondensator (5) der LED oder mehreren LEDs (8) parallel geschaltet ist und ein Mikrocontroller (16) die Vorwärtsspannung der LED oder der mehreren LEDs bei geringer Stromstärke ermittelt, indem er nach dem Abschalten (F) der LED oder der mehreren LEDs (8) die Spannung (V LED) während der Entladung Messkondensators (5) wie folgt aufnimmt und auswertet: Sobald der schnelle Entladevorgang des Messkondensators über die LED oder die LEDs abgeschlossen ist (B, G), wird der Spannungswert (E) des in den flachen langsameren Entladevorgang übergegangen Bereichs (t > G) erfasst und diesem Spannungswert (E) ein Temperaturwert zugeordnet.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen (6, 7), deren Mittelpunkt mit einem ADC-Eingang des Mikrocontrollers (16) verbunden ist, an der Anode der LED oder der LEDs (8) angeschlossen ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messzeitpunkt (H) in Relation zum Abschaltzeitpunkt (F) für die Erfassung des Spannungswertes (E) periodisch vom Mikrocontroller vorgegeben ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messkondensator (5) ein Widerstand (18) in Serie geschaltet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der LED oder mehreren LEDs (8) und der Versorgung (V in) eine Induktivität (20) mit Freilaufdiode (19) eingefügt ist.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abwärtswandler gebildet aus der Induktivität (20), der Freilaufdiode (19) und einem Schalter (21) der Versorgung eine Induktivität hat, die hinreichend klein dimensioniert ist, so dass der Entladestrom der Induktivität (20) nach dem Abschalten (F) des Schalters so schnell abklingt, dass der Messwandlungszeitpunkt (H) der LED oder mehreren LEDs (8) bei jeweils gleicher geringer Stromstärke (B), gespeist aus dem Messkondensator (5), erfolgen kann.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transistor die Versorgung (V in) der LED oder mehreren LEDs (8) periodisch unterbricht.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuersignal einen IC periodisch abschaltet, der die Versorgung (V in) der LED oder mehreren LEDs (8) steuert.