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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ansteuerung von mehreren in einer Reihenschaltung angeordneten Leuchtdioden, wobei eine derartige Reihenschaltung als LED-Kette bezeichnet wird, wobei mindestens zwei dieser LED-Ketten parallel zueinander geschaltet und mit je einem ersten Ende der LED-Kette mit einer Konstantstromquelle verbunden sind, wobei die LED-Ketten mit ihren zweiten Enden über einen jeweils zugehörigen steuerbaren Halbleiterschalter zumindest mittelbar mit einem zweiten Ende der Konstantstromquelle verbunden sind.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ansteuerung von mehreren in einer Reihenschaltung angeordneten Leuchtdioden, wobei eine derartige Reihenschaltung als LED-Kette bezeichnet wird, wobei ein bereitgestellter Gesamtstrom I auf einen zu einer ersten LED-Kette zugehörigen ersten Teilstrom Ia und auf einen zu einer zweiten LED-Kette zugehörigen zweiten Teilstrom Ib aufgeteilt wird, wobei in einer Reihenschaltung zur ersten LED-Kette ein erstes Mittel zur Stromsteuerung des ersten Teilstroms Ia und in einer Reihenschaltung zur zweiten LED-Kette ein zweites Mittel zur Stromsteuerung des zweiten Teilstroms Ib bereitgestellt wird.
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In vielen Bereichen der Elektronik werden lichtemittierende Halbleiterdioden, auch als Leuchtdiode oder kurz LED (LED = Light Emitting Diode) bezeichnet, für Anzeige- oder Beleuchtungsaufgaben eingesetzt. Dies gilt insbesondere auch für den Bereich der Automobiltechnik, in welchem Leuchtdioden die bisher eingesetzten Glühlampen, beispielsweise sowohl im Fahrzeuginnenbereich, der Instrumentenbeleuchtung wie auch im Bereich der vorgeschriebenen Standard-Beleuchtungseinrichtungen ersetzen.
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Die besonderen Vorteile der Leuchtdioden gegenüber herkömmlichen Glühlampen liegen in einem geringen Stromverbrauch, einer hohen Lichtausbeute bei einer relativ geringen Wärmeentwicklung, sowie einer hohen Lebensdauer. Außerdem weisen Leuchtdioden keine Einschaltverzögerung auf und lassen sich gut Dimmen.
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Beim Betrieb von Leuchtdioden ist notwendig, den Durchlassstrom der Diode entsprechend einzuregeln, um einerseits die Lichtintensität der LED zu beeinflussen und andererseits eine Zerstörung des Bauteils durch einen zu großen Strom zu vermeiden.
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Hierzu sind aus dem Stand der Technik mehrere Lösungen bekannt. Neben einem Einsatz eines strombegrenzenden Vorwiderstands kommen geregelte Konstantstromquellen wie auch Linearregler zum Einsatz. Bekannt sind auch Anordnungen in denen mehrere LEDs in einer Reihenschaltung angeordnet sind, beispielsweise zur Erhöhung der Lichtintensität. Auch in diesem Fall ist eine Stromregelung und/oder Strombegrenzung des durch alle LEDs der Reihenschaltung fließenden Stroms notwendig.
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Bei einem Einsatz einer Konstantstromquelle zur Bereitstellung eines geregelten Durchlassstroms für die LEDs ist die Anzahl der in der Reihenschaltung anordenbaren LEDs insbesondere durch die in einem Kraftfahrzeug verfügbare Bordnetzspannung begrenzt. Übliche Bordnetzspannungen liegen beispielsweise bei 12V für PKW, 24V für LKW und 48V bei Elektro- und Hybridkraftfahrzeugen. Reicht die mit einer LED-Reihenschaltung, welche auch als LED-Kette bezeichnet wird, erzeugbare Lichtintensität nicht aus, muss mindestens eine weitere LED-Kette vorgesehen werden. Jede weitere LED-Kette benötigt wiederum eine eigene Konstantstromquelle, womit sich der Aufwand und die Kosten für die Gesamtbeleuchtungseinheit erhöhen.
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Alternativ können nach dem Stand der Technik mehrere LED-Ketten an eine einzige Spannungsquelle parallel angeschlossen betrieben werden, wobei für jede LED-Kette ein Regler zur Strombegrenzung notwendig ist. Dieser Regler wird jeweils in Reihe zur entsprechenden LED-Kette angeordnet. Auch in diesem Fall erhöhen sich die Kosten durch die Notwendigkeit mehrerer Regler für mehrere LED-Ketten. Außerdem kommt es über jedem Regler, auch in einem Betriebszustand eines vollen Durchsteuerns des Reglers, zu einem Spannungsabfall verbunden mit entsprechenden elektrischen Verlusten sowie einer ungewollten Wärmeentwicklung des Reglers.
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Aus der
US 2011/0080115 A1 ist eine Anordnung zur Erzeugung von konstanten Teilströmen zur Ansteuerung von mehreren jeweils in einer Reihenschaltung angeordneten LEDs (LED-Kette) bekannt. Die Anordnung weist mehrere Ausgänge auf, an denen die LED-Ketten angeschlossen sind. Vorgesehen ist, den von einer Konstantstromquelle erzeugten Gesamtstrom I auf die parallel zur Konstantstromquelle angeschlossenen LED-Ketten aufzuteilen. Zu diesem Zweck ist jede LED-Kette in einer Reihenschaltung mit einer eigenen Stromteileranordnung angeordnet, wobei jede Stromteileranordnung mit einer eigenen Steueranordnung zur Steuerung des Teilstroms durch die LED-Kette verbunden ist.
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In der
US 2012/0268021 A1 ist eine mehrkanalige LED-Treiberanordnung für LED-Ketten beschrieben. Die Anordnung umfasst unter anderem ein Netzteil, eine Gleichrichter- und Filtereinheit, mehrere LED-Ketten, lineare Regler, Controller und PWM-Einheiten. Ziel der Anordnung ist es, die an der Spannungsversorgung angeschlossenen LED-Ketten mit Strömen gleicher Größe zu versorgen, um derart beispielsweise Helligkeitsunterschiede zwischen den LED-Ketten zu vermeiden.
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Für jede LED-Kette wird ein Linearregler vorgesehen, welcher den Strom der angeschlossenen LED-Kette einstellt. Dieser Regler arbeitet beispielsweise mit einem MOSFET-Schalter, welcher durch einen zugehörigen Controller gesteuert wird.
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Die
US 2013/0119873 A1 offenbart eine Anordnung und eine Verfahren zum Betreiben einer LED-Hintergrundbeleuchtung. Die Anordnung umfasst eine Vielzahl von in einer Reihenschaltung angeordneten LEDs einer Hintergrundbeleuchtung, einen zugehörigen Treiber, einen Stromteiler sowie eine Stromversorgungseinheit. Offenbart ist, dass die Treiber jeweils in einer Reihenschaltung mit je einer LED-Kette angeordnet sind und den Strom durch diese LED-Kette steuern. Die LED-Ketten werden mittels einer gemeinsamen Spannungsversorgungseinheit versorgt.
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Aus der
DE 10 2006 059 355 A1 ist eine Anzeigevorrichtung für wenigstens eine Reihenschaltung mehrerer Leuchtdioden bekannt. Die Vorrichtung weist eine Spannungsregelungseinheit zur Regelung einer Betriebsspannung für die Leuchtdioden in der Reihenschaltung.
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Offenbart ist, dass in der Vorrichtung für jede Reihenschaltung mit mehreren Leuchtdioden eine Stromregelungseinheit zur Regelung des Stroms durch die jeweilige Reihenschaltung der Leuchtdioden vorgesehen ist. Weiterhin ist offenbart, dass jede Stromregeleinheit mit der Spannungsregelungseinheit zur Übertragung eines Stromregelsignals verbunden ist.
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Aus der
DE 10 2011 016 802 A1 ist eine Steuervorrichtung bekannt, welche in Reihe mit einer Mehrzahl von zu steuernden Leuchtdioden geschaltet ist. Diese Steuervorrichtung umfasst ein erstes Schaltelement zur Steuerung eines Stroms durch die Mehrzahl der Leuchtdioden, eine Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals und Zuführen des Steuersignals zu dem ersten Schaltelement. Außerdem ist eine Begrenzungseinrichtung zur Erfassung des Stroms durch die Leuchtdioden und zur Beeinflussung der Steuervorrichtung in Abhängigkeit von dem erfassten Strom zur Begrenzung dieses Stroms beschrieben.
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Die sich aus diesem bekannten Stand der Technik ergebenden Nachteile liegen somit in einem hohem schaltungstechnischen Aufwand für mehrere Konstantstromquellen bzw. notwendige Einheiten zur Stromregulierung und den damit verbundenen hohen Kosten. Außerdem verursachen Längsregler immer auch einen Spannungsabfall in der Reihenschaltung verbunden mit elektrischen Verlusten und einer Erzeugung von Wärme, welche unter Umständen weitere Maßnahmen zur Kühlung erfordert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Anordnung zur Ansteuerung von mehreren in einer Reihenschaltung angeordneten Leuchtdioden anzugeben, mit welcher eine gleichmäßige Aufteilung eines Gesamtstroms auf mehrere dieser parallel zueinander angeordneten Reihenschaltungen (LED-Ketten) erreicht wird, und wobei der schaltungstechnische Aufwand und die bei der Regelung auftretenden Leistungsverluste verringert werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben. Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 7 und 8 angegeben.
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Die Erfindung ermöglicht eine präzise Aufteilung eines Gesamtstroms I1 einer Konstantstromquelle auf die Teilströme zweier oder mehrerer parallel zueinander angeordneter LED-Ketten. Hierfür ist vorgesehen in jedem zu einer LED-Kette zugehörigen Schaltungszweig mittels einer Referenzspannungserzeugungseinheit eine zugehörige Referenzspannung zu bilden, welche in einem Verhältnis zu dem in der zugehörigen LED-Kette fließenden Strom steht.
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Bei zwei LED-Ketten oder Schaltungszweigen werden also zwei Referenzspannungen bereitgestellt. Diese Referenzspannungen werden je einer Differenzbildung derart zugeführt, dass immer von der Referenzspannung des gegenüberliegenden Schaltungszweigs die eigene Referenzspannung abgezogen wird. Das Ergebnis dieser Differenzbildung erzeugt ein Steuersignal, mit welchem ein in Reihe zur jeweiligen LED-Kette angeordneter steuerbarer Halbleiterschalter gesteuert wird.
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Dieser Halbleiterschalter verändert durch das anliegende Steuersignal seinen Widerstand und beeinflusst derart den Teilstromfluss der zugehörigen LED-Kette. Im Ergebnis dieser Regelung erfolgt eine Anpassung der Teilstrome, bis beide gleich groß sind.
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Vorgesehen ist es, in jedem zu regelnden Schaltungszweig eine Referenzspannungserzeugungseinheit zur Erzeugung einer Referenzspannung, eine Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals sowie einen durch das Steuersignal steuerbaren Halbleiterschalter anzuordnen.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung als ein Operationsverstärker ausgeführt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der steuerbare Halbleiterschalter ein MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: eine Anordnung zur Ansteuerung von mehreren in einer Reihenschaltung angeordneten Leuchtdioden (LED-Kette) mittels einer Konstantstromquelle nach dem Stand der Technik,
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2: eine weitere Stand-der-Technik Anordnung zur Ansteuerung zweier parallel zueinander angeordneter LED-Ketten mittels je eines Linearreglers,
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3: eine erste schematische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Stromteileranordnung zur gleichmäßigen Stromaufteilung zwischen zwei LED-Ketten,
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4: eine Darstellung einer schaltungstechnischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromteileranordnung nach 3,
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5: eine weitere schematische Ausführungsform der Erfindung mit einer Stromteileranordnung zur gleichmäßigen Stromaufteilung zwischen drei LED-Ketten,
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6: eine Darstellung einer schaltungstechnischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromteileranordnung mit vier LED-Ketten,
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7: eine alternative schaltungstechnische Ausführungsform der Stromteileranordnung für zwei LED-Ketten und
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8: Ergebnisse eines experimentellen Nachweises der Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Stromteileranordnung.
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1 zeigt eine Anordnung zur Ansteuerung von mehreren in einer Reihenschaltung angeordneten Leuchtdioden 1 (D1, D2, ..., Dn) nach dem Stand der Technik. Eine derartige Reihenschaltung von Leuchtdioden oder Lichtemittierenden Dioden (LED = Light Emitting Diode) wird nachfolgend auch als LED-Kette 2 bezeichnet. Der durch die LEDs 1 D1 bis Dn der LED-Kette 2 fließende Strom I1 wird von einer Konstantstromquelle 3 bereitstellt.
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Anwendung finden derartige Schaltungen im Bereich der Lichtsteuerung, also beispielsweise bei der Beleuchtung von Kraftfahrzeugen. Hierbei wird durch das Hintereinanderschalten einer Vielzahl von LEDs 1 zu einer LED-Kette 2 eine gewünschte Helligkeit bei der Beleuchtung erreicht.
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Beispielsweise durch Sicherheitsvorgaben im KFZ-Bereich oder die verfügbare Bordnetzspannung ist die verfügbare Spannung über einer LED-Kette 2 auf einen Wert kleiner gleich 12, 24, 48 oder 60 Volt beschränkt und somit auch die Anzahl der LEDs 1 der Kette 2. Der Grund für diese Beschränkung liegt in der pro LED 1 notwendigen Flussspannung. Diese Flussspannung ist abhängig von der von der Leuchtdiode abgegebenen Wellenlänge des emittierten Lichtes und liegt etwa im Bereich zwischen 1,2 und 3,4 Volt.
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Zum Erreichen einer benötigten Helligkeit werden daher häufig mehrere derartige LED-Ketten 2 mit je einer zugehörigen Stromquelle 3 benötigt, was den schaltungstechnischen Aufwand wie auch die Kosten einer derartigen Lösung erhöht.
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Ein Beispiel für eine weitere Anordnung zur Ansteuerung von mehreren in einer Reihenschaltung angeordneten Leuchtdioden 1 für mindestens zwei parallel zueinander geschaltete LED-Ketten 2 ist in der 2 dargestellt. Diese Schaltung nach dem Stand der Technik zeigt eine Referenzspannungsquelle 4, welche eine Spannung V1 für die parallel geschalteten LED-Ketten 2a und 2b bereitstellt.
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Zur Steuerung des durch die LED-Kette 2a fließenden Stroms Ia ist ein Linearregler 5a als ein Längsregler vorgesehen, während der Strom Ib durch die LED-Kette 2b durch den Linearregler 5b eingestellt wird. Dabei sind die Linearregler 5a und 5b jeweils in einer Reihenschaltung mit der zugehörigen LED-Kette 2a und 2b angeordnet.
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Ein Nachteil dieser Anordnung besteht somit darin, dass eine Referenzspannungsquelle 4 zur Erzeugung einer sehr genauen Spannung V1 benötigt wird, welche den schaltungstechnischen Aufwand und die Herstellungskosten erhöht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass über die Linearregler 5a und 5b immer ein Spannungsabfall auftritt, welcher typischerweise im Bereich von größer oder gleich 1 Volt liegt. Dieser unvermeidliche Spannungsabfall über dem Längsregler führt zur Entstehung nicht gewollter Leistungsverluste und zur Erwärmung der Linearregler 5a und 5b.
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In der 3 ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Stromteileranordnung 6 zur Aufteilung des von der Konstantstromquelle 3 bereitgestellten Stroms I1 auf zwei dargestellte LED-Ketten 2a und 2b gezeigt. Dargestellt sind in jeder LED-Kette drei LEDs 1, wobei keine Beschränkung der LEDs 1 auf nur drei pro LED-Kette 2a oder 2b vorliegt. Diese Prinzipdarstellung zeigt, dass in jeder LED-Kette 2a und 2b der gleiche Strom fließt, welcher der Hälfte des Gesamtstroms I1 entspricht.
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In der 4 ist eine Schaltungsanordnung für die erfindungsgemäße Stromteileranordnung 6 angegeben. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, sind mehrere LEDs 1 in einer ersten LED-Kette 2a und mehrere LEDs 1 in einer zweiten LED-Kette 2b angeordnet, wobei die LED-Ketten 2a und 2b parallel zueinander betrieben werden. Die Ströme für beide LED-Ketten 2a und 2b werden von einer gemeinsamen Konstantstromquelle 3 mit dem Strom I1 bereitgestellt. Zur Steuerung des durch die LED-Kette 2a fließenden Stroms Ia ist ein erster steuerbarer Halbleiterschalter 16 angeordnet, während der durch die LED-Kette 2b fließende Strom Ib mittels eines zweiten steuerbaren Halbleiterschalters 17 erfolgt.
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In einer vorteilhaften Ausführung sind die steuerbaren Halbleiterschalter 16 und 17 als MOSFET ausgeführt.
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Zur Erzeugung einer für den ersten steuerbaren Halbleiterschalter 16 benötigten ersten Steuerspannung sind eine erste Referenzspannungserzeugungseinheit 18 sowie eine erste Steuerschaltung 20 vorgesehen. Zur Erzeugung der für den zweiten steuerbaren Halbleiterschalter 17 benötigten zweiten Steuerspannung ist eine zweite Referenzspannungserzeugungseinheit 19 sowie eine zweite Steuerschaltung 21 vorgesehen.
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Dabei wird die von der ersten Referenzspannungserzeugungseinheit 18 erzeugte erste Referenzspannung V1 sowohl der ersten als auch der zweiten Steuerschaltung 20 und 21 zur Erzeugung der ersten Steuerspannung zur Verfügung gestellt. Analog hierzu wird die von der zweiten Referenzspannungserzeugungseinheit 19 erzeugte zweite Referenzspannung V2 sowohl der zweiten als auch der ersten Steuerschaltung 21 und 20 zur Erzeugung der zweiten Steuerspannung zugeführt. Auf eine direkte Leitungsverbindung wurde in der 4 teilweise verzichtet. So ist beispielsweise die in der ersten Referenzspannungserzeugungseinheit 18 erzeugte erste Referenzspannung V1 am nicht-invertierenden Eingang der zweiten Steuerschaltung 21 nur mit V1 am Eingang angetragen, was aber bedeutet, dass eine Leitungsverbindung besteht. Gleiches gilt für mehrere Verbindungen zu der von der Spannungsquelle 7 erzeugten Betriebsspannung VCC.
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Vorgesehen ist, dass die erste Steuerspannung in der ersten Steuerschaltung 20 aus einer Differenz zwischen der zweiten Referenzspannung V2 und der ersten Referenzspannung V1 erzeugt wird, während die zweite Steuerspannung in der zweiten Steuerschaltung 21 aus einer Differenz zwischen der ersten Referenzspannung V1 und der zweiten Referenzspannung V2 erzeugt wird.
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In der Ausführung der 4 wird die derart erzeugte erste Steuerspannung vom Ausgang der ersten Steuerschaltung 20 über einen achten Widerstand 15, welchem eine erste Kapazität 22 parallel geschaltet ist, an die Steuerelektrode des ersten steuerbaren Halbleiterschalters 16 M1 übertragen.
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Die Übertragung der zweiten Steuerspannung an die Steuerelektrode des zweiten steuerbaren Halbleiterschalters 17 M2 erfolgt über einen siebenten Widerstand 14, welchem eine zweite Kapazität 23 parallel geschaltet ist.
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Die erste Referenzspannungserzeugungseinheit 18 besteht aus einer Reihenschaltung des ersten Sensorwiderstands 8, des dritten Widerstands 10 und des vierten Widerstands 11, wobei der vierte Widerstand 11 mit einem ersten Anschluss einer die Spannung VCC bereitstellenden Spannungsquelle 7 und der erste Sensorwiderstand 8 mit einem zweiten Anschluss der Spannungsquelle 7 verbunden ist. Der sich zwischen dem ersten Sensorwiderstand 8 und dem dritten Widerstand 10 ergebende Anschlusspunkt ist mit der ersten steuerbaren Halbleiteranordnung 16 derart verbunden, dass der durch die LED-Kette 2a und die Halbleiteranordnung 16 fließende Strom Ia auch durch den ersten Sensorwiderstand 8 fließt.
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Der sich zwischen dem dritten Widerstand 10 und dem vierten Widerstand 11 befindliche Anschlusspunk stellt den Ausgang zur Ausgabe der ersten Referenzspannung V1 dar.
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In Analogie zur eben beschriebenen ersten Referenzspannungserzeugungseinheit 18 besteht die zweite Referenzspannungserzeugungseinheit 19 ebenfalls aus einer Reihenschaltung von Widerständen, bestehend aus einem zweiten Sensorwiderstand 9, einem sechsten Widerstand 13 und einem fünften Widerstand 12. Der sich zwischen dem zweiten Sensorwiderstand 9 und dem sechsten Widerstand 13 ergebende Anschlusspunkt ist mit der zweiten steuerbaren Halbleiteranordnung 17 derart verbunden, dass der durch die LED-Kette 2b und die Halbleiteranordnung 17 fließende Strom Ib auch durch den zweiten Sensorwiderstand 9 fließt.
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In diesem Fall stellt der sich zwischen dem sechsten Widerstand 13 und dem fünften Widerstand 12 befindliche Anschlusspunkt den Ausgang zur Ausgabe der zweiten Referenzspannung V2 dar.
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Es ist vorgesehen, die erste und die zweite Steuerschaltung 20 und 21 durch einen Operationsverstärker zu realisieren. Dabei wird am nicht-invertierenden Eingang der ersten Steuerschaltung 20 die zweite Referenzspannung V2 und am invertierenden Eingang die erste Referenzspannung V1 für eine Differenzbildung angelegt. Am nicht-invertierenden Eingang der zweiten Steuerschaltung 21 wird die erste Referenzspannung V1 und an deren invertierenden Eingang die zweite Referenzspannung V2 zur Differenzbildung angelegt.
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Im Fall einer ungleichen Verteilung des Gesamtstroms I1 auf die zwei dargestellten LED-Ketten 2a und 2b, also wenn der Strom Ia nicht gleich dem Strom Ib ist, werden die Referenzspannungen V1 und V2 in Abhängigkeit der Stromverteilung mit unterschiedlichen Größen erzeugt. Ist beispielsweise der Strom Ia größer als der Strom Ib wird in der Schaltung nach 4 die erste Referenzspannung V1 auch größer als die zweite Referenzspannung V2 sein.
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Da die am invertierenden Eingang der ersten Steuerschaltung 20 anliegende erste Referenzspannung V1 größer als die am nicht-invertierenden Eingang anliegende zweite Referenzspannung V2 ist, wird das Steuersignal kleiner und der erste steuerbare Halbleiterschalter 16 derart gesteuert, dass der durch ihn fließende Strom Ia kleiner wird. Gleichzeitig wird, da die Referenzspannungen an der zweiten Steuerschaltung 21 in umgedrehter Reihenfolge anliegen, der zweite steuerbare Halbleiterschalter durch das erzeugte zweite Steuersignal mehr durchgesteuert, wobei sich der durch ihn fließende Strom Ib erhöht. Dieser Vorgang wird fortgesetzt bis sich ein Gleichgewicht zwischen den Teilströmen Ia und Ib eingestellt hat, beide also gleich groß sind. Anders ausgedrückt ist der Teilstrom Ia und Ib jeweils halb so groß wie der Strom I1.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, die Widerstände 8, 9, 10, 11, 12 und 13 sehr genau auszuführen, da diese auch die Genauigkeit der beschriebenen Erfindung beeinflussen.
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In der 5 ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Stromteileranordnung 6 zur Aufteilung des von der Konstantstromquelle 3 bereitgestellten Stroms I1 auf drei dargestellte LED-Ketten 2a, 2b und 2c gezeigt. Die Anordnung wie auch das vorgestellte Verfahren sind nicht auf Anwendungen mit nur zwei parallel geschalteten LED-Ketten 2 beschränkt. So kann eine genaue Aufteilung des Gesamtstromes I1 auf drei, vier oder mehr LED-Ketten 2 erfolgen. Im Beispiel der 5 ist vorgesehen, die Teilströme durch die drei dargestellten LED-Ketten 2 mittels der Stromteileranordnung 6 derart einzustellen, dass diese jeweils ein Drittel des Gesamtstroms I1 betragen.
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Eine schaltungstechnische Umsetzung der Stromteileranordnung 6 an einem Beispiel mit vier LED-Ketten 2a, 2b, 2c und 2d ist in der 6 dargestellt. Die LED-Kette 2a umfasst drei LEDs 1 während die LED-Ketten 2b, 2c und 2d aus jeweils zwei LEDs 1 bestehen. Im linken Teil der Schaltung in der 6 sind die bereits zur 4 ausführlich beschriebenen Bestandteile zur Regelung der Ströme durch die erste und die zweite LED-Kette 2a und 2b mit der ersten und zweiten Referenzspannungserzeugungseinheit 18 und 19, der ersten und zweiten Steuerschaltung 20 und 21 sowie dem ersten und zweiten steuerbaren Halbleiterschalter 16 und 17 dargestellt. Im Unterschied zur Schaltung nach der 4 sind lediglich noch ein neunter Widerstand 24 in Reihe zur ersten LED-Kette 2a sowie einige dritte Kapazitäten 31 in der Schaltung eingefügt, welche aber den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf nicht beeinflussen. Auch in dieser Ausführung werden die mit der Bezeichnung VCC beschrifteten Leitungen mittels einer Spannungsquelle 7 gespeist, welche nicht dargestellt ist.
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Die Erweiterung der Stromteileranordnung 6 zur Ansteuerung der dritten und vierten LED-Kette 2c und 2d erfolgt durch den Einsatz weiterer Referenzspannungserzeugungseinheiten, Steuerschaltungen und steuerbarer Halbleiter.
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In der 6 ist dargestellt, dass zu der dritten LED-Kette 2c ein dritter steuerbarer Halbleiterschalter 25, sowie eine dritte Referenzspannungserzeugungseinheit 26 und eine dritte Steuerschaltung 27 zugeordnet werden.
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Für die vierte LED-Kette 2d ist ein vierter steuerbarer Halbleiterschalter 28, eine vierte Referenzspannungserzeugungseinheit 29 und eine vierte Steuerschaltung 30 vorgesehen.
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Aufbau und Funktionsweise der Schaltungen für die dritte und vierte LED-Kette 2c und 2d, insbesondere die Erzeugung der dritten und vierten Steuerspannung für den dritten und vierten steuerbaren Halbleiterschalter 25 und 28 aus der ersten und zweiten Referenzspannung V1 und V2, entsprechen der zur zweiten LED-Kette 2b gegebenen Beschreibung.
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Die 7 zeigt eine alternative Ausführung der Stromteileranordnung 6 als sogenannter high-side Stromteiler. In dieser Ausführung sind die LED-Ketten 2a und 2b jeweils direkt mit dem zweiten Anschluss der Konstantstromquelle 3 verbunden. Die Verbindung mit dem ersten Anschluss der Konstantstromquelle 3 erfolgt für die erste LED-Kette 2a, welche drei LEDs 1 umfasst, über den ersten steuerbaren Halbleiterschalter 16 und die erste Referenzspannungserzeugungseinheit 18. Die Verbindung mit dem ersten Anschluss der Konstantstromquelle 3 erfolgt für die zweite LED-Kette 2b, welche im Beispiel nur zwei LEDs 1 umfasst, über den zweiten steuerbaren Halbleiterschalter 17 und die zweite Referenzspannungserzeugungseinheit 19. Diese Beschreibung der Verbindungen ist prinzipieller Art, auch wenn, wie in der 7 gezeigt, optional ein neunter Widerstand 24 eingefügt sein kann.
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Das Regelungsprinzip entspricht dem zu 4 ausführlich Beschriebenem. Auch in dieser Ausführung führen Unterschiede in der Verteilung der Teilströme Ia und Ib zu unterschiedlichen Referenzspannungen V1 und V2. Die erste und die zweite Steuerschaltung 20 und 21 erzeugen aus den unterschiedlichen Referenzspannungen V1 und V2 derartige Steuersignale, dass der steuerbare Halbleiterschalter 16 oder 17, über welchen der größere Strom fließt, zugeregelt wird. Gleichzeitig wird der steuerbare Halbleiterschalter 16 oder 17, über welchen der kleinere Strom fließt, weiter durchgesteuert. Dieser Regelvorgang wird fortgesetzt, bis die Teilströme Ia und Ib gleich groß sind.
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Ergebnisse eines experimentellen Nachweises der Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Stromteileranordnung sind in der Tabelle der 8 gezeigt.
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Der Prototyp ist mit zwei LED-Ketten 2a und 2b ausgestattet. Eine Konstantstromquelle 3 ist vorgesehen, um einen konstanten Strom I1 von etwa 1 A bereitzustellen. Die Messergebnisse der Stromteileranordnung 6 im laufenden Betrieb sind mit ausgewählten Größen in der Tabelle der 8 dargestellt.
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Wie dargestellt ist, liegt der Unterschied bei der Aufteilung des Gesamtstroms I1 auf die Teilströme Ia und Ib bei nur 3 mA. Dieser Unterschied zwischen den beiden LED-Ketten stellt eine Toleranz von lediglich 0,6% dar. Diese geringe Toleranz hat ihre Ursache in den Toleranzen der eingesetzten Widerstände.
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Bezüglich der Referenzspannungen V1 und V2 beträgt die Toleranz nur 0,06%. Für die Prüfung der LED-Ketten 2a und 2b wurden diese so eingestellt, dass sie verschiedene Durchlassspannungen aufweisen. Hierfür enthält eine LED-Kette drei LEDs 1 und die andere vier.
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Wie in der Tabelle gezeigt ist, liegt eine beispielhafte Drain-Source-Spannung eines steuerbaren Halbleiterschalters bei einem Wert von 8 mV. Gemäß einer Anordnung nach dem Stand der Technik, wie in der 2 gezeigt, weist jeder Linearregler mehr als 1 V auf, womit der Wert von 8 mV darunter liegt. Somit wird die Verlustleistung in der Erfindung signifikant reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED
- 2
- LED-Kette
- 3
- Konstantstromquelle
- 4
- Referenzspannungsquelle
- 5, 5a, 5b
- Linearregler (Längsregler)
- 6
- Stromteileranordnung
- 7
- Spannungsquelle
- 8
- erster Sensorwiderstand (Shuntwiderstand)
- 9
- zweiter Sensorwiderstand (Shuntwiderstand)
- 10
- dritter Widerstand
- 11
- vierter Widerstand
- 12
- fünfter Widerstand
- 13
- sechster Widerstand
- 14
- siebenter Widerstand
- 15
- achter Widerstand
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- erster steuerbarer Halbleiterschalter/Halbleiteranordnung
- 16
- (MOSFET M1)
-
- zweiter steuerbarer Halbleiterschalter/Halbleiteranordnung
- 17
- (MOSFET M2)
- 18
- erste Referenzspannungserzeugungseinheit
- 19
- zweite Referenzspannungserzeugungseinheit
- 20
- erste Steuerschaltung (1. Operationsverstärker, OPV 1)
- 21
- zweite Steuerschaltung (2. Operationsverstärker, OPV 2)
- 22
- erste Kapazität
- 23
- zweite Kapazität
- 24
- neunter Widerstand
- 25
- dritter steuerbarer Halbleiterschalter
- 26
- dritte Referenzspannungserzeugungseinheit
- 27
- dritte Steuerschaltung
- 28
- vierter steuerbarer Halbleiterschalter
- 29
- vierte Referenzspannungserzeugungseinheit
- 30
- vierte Steuerschaltung
- 31
- dritte Kapazität
- I, I1
- Gesamtstrom einer Konstantstromquelle
- D1, D2, Dn
- Leuchtdioden
- Ia
- erster Teilstrom
- Ib
- zweiter Teilstrom
- V1
- erste Referenzspannung
- V2
- zweite Referenzspannung
- 2a, 2b, 2c, 2d
- LED-Kette
- VCC
- Betriebsspannung (von der Spannungsquelle 7 erzeugt)
