DE102017107412A1

DE102017107412A1 - Schaltungsanordnung, beleuchtungsanordnung und verfahren

Info

Publication number: DE102017107412A1
Application number: DE102017107412.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Huber
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Schaltungsanordnung (100) zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit einer Lichtquelle (150, 250), mit einem Spannungseingang (101, 201), welcher mit einem Eingang (151) der Lichtquelle (150, 250) gekoppelt ist, einem spannungsgesteuerten Schaltelement (102, 202), welches einen Lasteingang (103), einen Lastausgang (104) und einen Steuereingang (105) aufweist, wobei der Lasteingang (103) des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) mit einem Ausgang (152) der Lichtquelle (150, 250) gekoppelt ist, einer Steuerspannungsquelle (106, 206), welche einen mit dem Steuereingang (105) des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) gekoppelten Spannungsausgang aufweist, welcher in einem aktiven Zustand eine konstante Steuerspannung (107, 207) ausgibt, und einem Massenanschluss (108, 208), wobei der Lastausgang (104) des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) mit dem Masseanschluss (108, 208) gekoppelt ist, wobei das spannungsgesteuerte Schaltelement (102, 202) derart dimensioniert ist, dass eine Temperaturabhängigkeit des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) die Temperaturabhängigkeit der Lichtquelle (150, 250) kompensiert. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungsanordnung und ein entsprechendes Verfahren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit einer Lichtquelle. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungsanordnung und ein entsprechendes Verfahren.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Beleuchtungseinheiten in Fahrzeugen beschrieben. Es versteht sich, dass diese Erfindung aber in jeder anderen Anwendung eingesetzt werden kann, in der elektrische Beleuchtungen genutzt werden.
In modernen Fahrzeugen werden dem Benutzer immer weitreichendere Möglichkeiten geboten, die Fahrzeugbeleuchtung einzustellen beziehungsweise seinen Wünschen entsprechend anzupassen. Solche Beleuchtungssyteme werden beispielsweise unter der Bezeichnung Ambientebeleuchtung oder Ambient-Light oder dergleichen angeboten.
Gleichzeitig soll der Energieverbrauch in Fahrzeugen stetig reduziert werden, um immer strengere Abgasvorschriften einhalten zu können. Folglich werden in modernen Fahrzeugen LED-Lichtquellen mit einem gegenüber herkömmlichen Glühbirnen deutlich reduziertem Energieverbrauch eingesetzt. Allerding schwankt die Helligkeit einer LED beispielsweise in Abhängigkeit ihrer Temperatur. Im Betrieb wird die Helligkeit einer LED folglich schon auf Grund ihrer Eigenerwärmung schwanken.
Um die Reduzierung der LED-Lichtstärke aufgrund von Eigenerwärmung zu kompensieren, können NTCs eingesetzt werden. Bei Erwärmung reduziert sich der Widerstand von NTCs, wodurch bei gleicher Spannung ein größerer Strom erreicht wird. Im Idealfall wird dadurch die Lichtstärke der LED konstant gehalten. Eine solche Anordnung kann aber nur bei konstanten Eingangsspannungen genutzt werden, was in typischen Automobilnetzen nicht der Fall ist.
Zum Schutz vor Überhitzung der eingesetzten LEDs kann ferner eine Diode parallel zum Basis-Emitter-Pfad eines Transistors geschaltet werden, der im Lastpfad der Diode angeordnet ist. Die Diode soll sich gleich der Basis-Emitter-Diode des Transistors erwärmen, wodurch sich auch die Vorwärtsspannung beider Dioden gleichermaßen ändern soll. So wird erreicht, dass der Spannungslevel des Emitters konstant bleibt und somit auch der Strom über den Transistor konstant gehalten wird. Die Eigenerwärmung des Transistors führt aber dazu, dass sich noch weitere Parameter ändern und der zu erwartende Effekt der zusätzlichen Diode unwirksam wird, wenn der Transistor nicht entsprechend gekühlt werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Ansteuerung einer LED-basierten Lichtquelle bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit einer Lichtquelle weist einen Spannungseingang auf, welcher mit einem Eingang der Lichtquelle gekoppelt ist. Ferner weist die Schaltungsanordnung ein spannungsgesteuertes Schaltelement auf, welches einen Lasteingang, einen Lastausgang und einen Steuereingang aufweist, wobei der Lasteingang des spannungsgesteuerten Schaltelements mit einem Ausgang der Lichtquelle gekoppelt ist. Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Steuerspannungsquelle auf, welche einen mit dem Steuereingang des spannungsgesteuerten Schaltelements gekoppelten Spannungsausgang aufweist, welcher in einem aktiven, also eingeschalteten, Zustand eine konstante beziehungsweise annähernd konstante Steuerspannung ausgibt. Schließlich weist die Schaltungsanordnung einen Masseanschluss auf, wobei der Lastausgang des spannungsgesteuerten Schaltelements mit dem Masseanschluss gekoppelt ist, und wobei das spannungsgesteuerte Schaltelement derart dimensioniert ist, dass eine Temperaturabhängigkeit des spannungsgesteuerten Schaltelements die Temperaturabhängigkeit der Lichtquelle kompensiert.
Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung weist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, eine Lichtquelle, welche mit der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, und eine Steuereinrichtung auf, welche ausgebildet ist, eine Steuerspannung an dem Steuereingang des spannungsgesteuerten Schaltelements bereitzustellen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Kompensieren der Temperaturabhängigkeit einer Lichtquelle weist die folgenden Schritte auf: Versorgen eines Eingangs der Lichtquelle mit einer Eingangsspannung, Steuern des Stroms durch die Lichtquelle mit einem spannungsgesteuerten Schaltelement, welches einen Lasteingang, einen Lastausgang und einen Steuereingang aufweist, wobei der Lasteingang des spannungsgesteuerten Schaltelements mit einem Ausgang der Lichtquelle gekoppelt wird und der Lastausgang mit einem Masseanschluss gekoppelt wird, und Bereitstellen einer konstanten Steuerspannung in einem aktiven Zustand an dem Steuereingang des spannungsgesteuerten Schaltelements, wobei das spannungsgesteuerte Schaltelement derart dimensioniert wird, dass eine Temperaturabhängigkeit des spannungsgesteuerten Schaltelements die Temperaturabhängigkeit der Lichtquelle kompensiert.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Temperaturkompensation beispielsweise einer LED-Lichtquelle mit herkömmlichen Schaltungsanordnungen sehr aufwändig ist. Unter Temperaturkompensation ist hierbei zu verstehen, dass die Lichtstärke, also die Helligkeit, des durch die LED-Lichtquelle ausgesendeten Lichts auch bei sich ändernder Temperatur der LED-Lichtquelle konstant oder annähernd konstant bleibt oder der temperaturabhängigen Änderung der Lichtstärke zumindest entgegen gewirkt wird.
Die vorliegende Erfindung nutzt ferner die Erkenntnis, dass mit einem Schaltelement, welches zum Ein- beziehungsweise Ausschalten der Lichtquelle vorgesehen ist, eine zweite temperaturabhängige Komponente in die Schaltung eingeführt wird.
Die vorliegende Erfindung sieht daher vor, dass die Schaltung mit der Lichtquelle und dem Schaltelement derart dimensioniert wird, dass sich die Temperaturabhängigkeit der Lichtquelle und die Temperaturabhängigkeit des Schaltelements gegenseitig kompensieren.
LED-Lichtquellen weisen üblicherweise einen negativen Temperaturkoeffizienten in Bezug auf die Lichtstärke des ausgesendeten Lichts auf. Das bedeutet, dass mit zunehmender Erwärmung der Lichtquelle die Lichtstärke des durch die LED-Lichtquelle ausgesendeten Lichts sinkt.
Schaltelemente, wie beispielsweise transistor-basierte Schaltungen, können dagegen bei geeigneter Auslegung einen positiven Temperaturkoeffizienten in Bezug auf den durch die Schaltung fließenden Strom aufweisen. Das bedeutet, dass der durch die Schaltung fließende Strom größer wird, wenn sich das Schaltelement erwärmt.
Fließt durch eine LED-Lichtquelle aber ein höherer Strom, erhöht sich auch die Lichtstärke des durch die LED-Lichtquelle ausgestrahlten Lichts. Folglich kann mit einem entsprechend dimensionierten Schaltelement die Temperaturabhängigkeit der LED-Lichtquelle kompensiert werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es daher, eine LED-Lichtquelle derart anzusteuern, dass sie auch bei steigender Temperatur Licht mit einer zumindest annähernd konstanten Lichtstärke ausstrahlt, ohne dass dazu zusätzliche Schaltelemente in der Schaltung vorgesehen werden müssten.
Auf Grund der konstanten Steuerspannung wird ferner der Stromfluss durch das Schaltelement begrenzt. Ein Überhitzungsschutz ist damit bereits in der Schaltungsanordnung vorhanden.
Die vorliegende Schaltungsanordnung eignet sich folglich insbesondere zur Anwendung bei begrenztem Bauraum. Auf Grund des sehr einfachen und damit wenig komplexen Aufbaus kann die vorliegende Erfindung aber auch in jeder anderen Anwendung vorteilhaft eingesetzt werden.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden können. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
In einer Ausführungsform können die Lichtquelle und das spannungsgesteuerte Schaltelement thermisch derart gekoppelt sein, dass im Betrieb der Schaltungsanordnung die Temperaturänderungen in der Lichtquelle und dem spannungsgesteuerten Schaltelement zumindest das gleiche Vorzeichen aufweisen.
Um die Änderung der Lichtstärke des durch die Lichtquelle ausgesendeten Lichts kompensieren zu können, ist es nötig, dass das Schaltelement den gleichen beziehungsweise ähnlichen Temperaturänderungen ausgesetzt ist, wie die Lichtquelle.
Es sollte sich eine Temperaturänderung in der Lichtquelle also zumindest mit dem gleichen Vorzeichen auf das Schaltelement niederschlagen. Erhitzt sich die Lichtquelle, erhitzt sich also auch das Schaltelement. Wenn sich die Lichtquelle abkühlt, kühlt auch das Schaltelement ab.
Eine solche thermische Kopplung kann beispielsweise durch die Anordnung der Lichtquelle in der Nähe des Schaltelements erreicht werden. Beispielsweise können die zwei Bauelemente auf einer gemeinsamen Platine angeordnet werden. Insbesondere können die zwei Bauelemente auf der gemeinsamen Platine so nah wie mögliche beziehungsweise gewünscht nebeneinander angeordnet werden und beispielsweise auch mit gemeinsamen Pads verbunden werden, beispielsweise zwischen Ausgang der Lichtquelle und Leistungseingang des Schaltelements.
Durch ein entsprechendes Gehäuse kann die thermische Kopplung ebenfalls verbessert werden. Das thermische Verhalten der Schaltungsanordnung kann beispielsweise während der Entwicklung der Schaltungsanordnung simuliert und angepasst beziehungsweise optimiert werden.
In einer Ausführungsform kann das spannungsgesteuerte Schaltelement einen NPN-Transistor und einen zwischen dem Basisanschluss des NPN-Transistors und dem Spannungsausgang der Steuerspannungsquelle angeordneten Basiswiderstand sowie einen zwischen dem Emitteranschluss des NPN-Transistors und dem Masseanschluss angeordneten Emitterwiderstand aufweisen. Der Basiswiderstand und der Emitterwiderstand können derart ausgelegt sein, dass bei einer temperaturabhängigen Verringerung einer Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors die Spannung über dem Emitterwiderstand steigt.
Der NPN-Transistor weist intern eine Basis-Emitter Diode auf. Diese Basis-Emitter Diode weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf. Bei steigender Temperatur sinkt also die Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors. Fällt aber bei konstanter Steuerspannung über der Basis-Emitter Strecke des NPN-Transistors eine geringere Spannung ab, fällt eine höhere Spannung über dem Emitterwiderstand ab und der Strom durch den Emitterwiderstand steigt an.
Der Emitterwiderstand kann nun derart dimensioniert werden, dass die Stromerhöhung durch den Emitterwiderstand bei steigender Temperatur in etwa dem Strom entspricht, welcher nötig ist, um die sinkende Lichtstärke des durch die LED-Lichtquelle ausgestrahlten Lichts zu kompensieren. Der steigende Strom wirkt also der sinkenden Lichtstärke entgegen. Es versteht sich, dass die variierende Lichtstärke der LED-Lichtquelle unter Umständen nicht zu 100% kompensiert wird, allerdings bedeutet ein Entgegenwirken bereits eine deutliche Verringerung sichtbarer Lichtstärkeschwankungen.
In einer Ausführungsform kann der Emitterwiderstand basierend auf einer erwarteten Eigenerwärmung der Lichtquelle und einer zur Kompensation der erwarteten Eigenerwärmung nötigen Stromerhöhung dimensioniert sein.
Die erwartete Eigenerwärmung der Lichtquelle lässt sich anhand der Verlustleistung der Lichtquelle und deren Wärmewiderstand berechnen. Die Verlustleistung ergibt sich aus der Vorwärtsspannung der Lichtquelle und dem für die gewünschte Lichtstärke benötigten Strom. Bei LED-Lichtquellen können die Vorwärtsspannung und der benötigte Strom dem Datenblatt entnommen werden.
Lediglich beispielhaft sei angenommen, dass bei einer LED-Lichtquelle eine Vorwärtsspannung V_{F_LED} von 3 V und ein Strom I_LED von 50 mA nötig sind. Die Verlustleistung ergibt sich dann zu $P_{LED} : = I_{LED} * V_{F_LED} = 0.15 W$
Die Eigenerwärmung der LED-Lichtquelle bei Raumtemperatur kann berechnet werden als: $T_{LED} : = 23 ° {C+R}_{th_LED} * P_{LED} = 64,25 ° C$
Basierend auf der Eigenerwärmung und der Lichtstärkereduzierung durch Erwärmung der LED-Lichtquelle (dem Datenblatt zu entnehmen), kann die Stromänderung berechnet werden.
Die Lichtstärkereduzierung durch Erwärmung kann beispielsweise ΔI_Licht := -0.15 %/K sein. Die benötigte Stromerhöhung ergibt sich folglich zu: $Δ I_{LED} : = | Δ I_{Licht} * T_{LED} | = 9,637 %$
Für den NPN-Transistor kann die Reduzierung der Basis-Emitter-Spannung ebenfalls berechnet werden. Es wird hier davon ausgegangen, dass die Temperatur T_T des Transistors in etwa der Temperatur T_LED der LED-Lichtquelle entspricht, $T_{T} \sim T_{LED} .$
Die temperaturabhängige Spannungsänderung des NPN-Transistors kann dem Datenblatt entnommen werden und kann beispielsweise ΔU_BE := -2.129 mV/K betragen.
Die Reduzierung der Basis-Emitter-Spannung beträgt folglich: $Δ U:= | Δ U_{BE} * T_{T} | = 0.113 V$
Damit ergibt sich der optimale Spannungsabfall am Emitterwiderstand zu $U_{RE} : = Δ U/ Δ I_{LED} = 1.171 V$
Der Wert des Emitterwiderstands ergibt sich damit zu $R_{RE} : = U_{RE} / I_{LED} = 23,416 Ω$
In einer Ausführungsform kann der Basiswiderstand basierend auf einem Verstärkungsfaktor, dem Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand und einem gewünschten Strom durch die Lichtquelle dimensioniert sein.
Der Spannungsabfall über dem Basiswiderstand ergibt sich aus der Steuerspannung V_S abzüglich der Basis-Emitter-Spannung und des Spannungsabfalls über dem Emitterwiderstand zu $U_{RB} : = V_{S} - U_{RE} - U_{BE} = 1,159 V$
Die Steuerspannung V_S kann beispielsweise 3 V +/- 0.3 V betragen. U_BE kann beispielsweise dem Datenblatt des NPN-Transistors entnommen werden. Generell gilt, je größer der Spannungsabfall am Basiswiderstand, desto stärker ist der Kompensationseffekt. Der Spannungsabfall sollte aber mindestens den möglichen Schwankungen der Steuerspannung, beispielsweise +/- 0.3 V, zuzüglich einer Reserve von beispielsweise 50% entsprechen.
Der maximale Basiswiderstand ergibt sich folglich zu $R_{B_max} : = U_{RB} / (I_{LED} / h_{FE_min}) = 3,941 k Ω$
Wobei h_{FE_min} den minimalen Stromverstärkungsfaktor des NPN-Transistors darstellt. Der Basiswiderstand kann u.U. auch kleiner gewählt werden, sodass der Transistor sicher in Sättigung gehen kann.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Beleuchtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ein Diagramm der Temperaturen in einem Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ein Diagramm der Stromänderung eines beispielhaften Schaltelements zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;
6 ein Diagramm der Lichtstärke einer beispielhaften Lichtquelle über den Strom zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;
7 ein Diagramm der Lichtstärkeänderung in Abhängigkeit der Temperatur einer beispielhaften Lichtquelle zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung; und
8 ein Diagramm der Spannungen in einem Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 100. Die Schaltungsanordnung 100 weist einen Spannungseingang 101 auf, der mit einem Eingang 151 einer Lichtquelle 150 gekoppelt ist. Der Spannungseingang 101 weist ferner ein spannungsgesteuertes Schaltelement 102 auf, dessen Lasteingang 103 mit dem Ausgang 152 der Lichtquelle 150 gekoppelt ist. Der Lastausgang 104 des spannungsgesteuerten Schaltelements 102 ist mit einem Masseanschluss 108 gekoppelt. Schließlich weist die Schaltungsanordnung 100 eine Steuerspannungsquelle 106 auf, die mit dem Steuereingang 105 des spannungsgesteuerten Schaltelements 102 gekoppelt ist.
Über den Spannungseingang 101 und den Masseanschluss 108 kann die Schaltungsanordnung 100 beispielsweise mit einem Bordnetz eines Fahrzeugs gekoppelt werden. Fahrzeugbordnetze werden üblicherweise mit einer Spannung von 12 V oder 14 V betrieben, wobei starke Spannungsschwankungen möglich sind oder auch andere Spannungen, wie beispielsweise 42 oder 48 V genutzt werden können.
Die Steuerspannungsquelle 106 erzeugt aus der Spannung am Spannungseingang 101 eine konstante Steuerspannung 107, wenn die Lichtquelle 150 eingeschaltet werden soll. Es versteht sich, dass die Steuerspannungsquelle 106 selbst beispielsweise über einen Taster oder auch digital, beispielsweise über einen Fahrzeugbus, wie beispielsweise einen LIN-Bus oder einen CAN-Bus, angesteuert werden kann.
Die konstante Steuerspannung 107 steuert das spannungsgesteuerte Schaltelement 102 derart an, dass es einen Stromfluss zwischen dem Ausgang 152 der Lichtquelle 150 und dem Masseanschluss 108 ermöglicht. Üblicherweise wird das spannungsgesteuerte Schaltelement 102 voll durchgesteuert, also in der Sättigung betrieben. So können die Verluste am spannungsgesteuerten Schaltelement 102 minimiert werden.
Im Betrieb ist es unvermeidbar, dass sich sowohl die Lichtquelle 150 als auch das spannungsgesteuerte Schaltelement 102 erwärmen, wenn die Lichtquelle 150 eingeschaltet ist. Durch bauliche Maßnahmen kann sichergestellt werden, dass sich die Lichtquelle 150 und das spannungsgesteuerte Schaltelement 102 annähernd gleich erwärmen. Beispielswiese können die Lichtquelle 150 und das spannungsgesteuerte Schaltelement 102 sehr nahe beieinander angeordnet werden, sodass die thermische Kopplung zwischen der Lichtquelle 150 und dem spannungsgesteuerten Schaltelement 102 möglichst groß ist.
Erwärmen sich die Lichtquelle 150 und das spannungsgesteuerte Schaltelement 102 annähernd gleich, können die temperaturabhängigen Änderungen in diesen Elementen derart genutzt werden, dass sie sich gegenseitig kompensieren. Unter kompensieren ist dabei zu verstehen, dass die Helligkeit der Lichtquelle 150 stabilisiert wird, also deren Schwankungen zumindest reduziert werden.
Dazu kann das spannungsgesteuerte Schaltelement 102 derart dimensioniert werden, dass die Temperaturabhängigkeit des spannungsgesteuerten Schaltelements 102 den Stromfluss erhöht, wenn die Temperaturabhängigkeit der Lichtquelle 150 die Lichtstärke des ausgestrahlten Lichts sinken lässt. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Dimensionierung von Basis- und Emitterwiderständen in dem spannungsgesteuerten Schaltelement 102 erreicht werden.
2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Beleuchtungsanordnung 200. In der Beleuchtungsanordnung 200 ist die Schaltungsanordnung nicht separat bezeichnet. Vielmehr sind lediglich die einzelnen Bauelemente der Schaltungsanordnung gezeigt.
Die Beleuchtungsanordnung 200 weist einen Spannungseingang 201 auf, der mit einem Eingang der Steuerspannungsquelle 206 gekoppelt ist. Der Spannungseingang 201 ist ferner jeweils mit der Kathode einer grünen LED 211, einer roten LED 212 und einer blauen LED 213 und mit einem Begrenzungswiderstand 214 gekoppelt. Nicht dargestellt sind weitere mögliche Filterelemente, die insbesondere in einem Fahrzeug die von dem Bordnetz bereitgestellte Spannung glätten beziehungsweise filtern können.
Die Anoden der grünen LED 211, der roten LED 212 und der blauen LED 213 sind jeweils mit einem Steuereingang der Steuerspannungsquelle 206 gekoppelt. Die grüne LED 211, die rote LED 212 und die blaue LED 213 sind lediglich beispielhaft vorhanden und machen deutlich, dass die Steuerspannungsquelle 206 neben der Lichtquelle 250 auch weitere Lichtquellen ansteuern kann.
Bei der grünen LED 211, der roten LED 212 und der blauen LED 213 handelt es sich um LEDs deren Leistungsaufnahme so gering ist, dass die Steuerspannungsquelle 206 diese direkt ansteuern kann beziehungsweise den durch die jeweilige LED 211, 212, 213 fließenden Strom aufnehmen kann. Beispielsweise können die LEDs 211, 212, 213 mit einem Strom von unter 40 mA betrieben werden. Ferner können die LEDs 211, 212, 213 beispielsweise durch PWM-Ansteuerung auch gedimmt werden und so unterschiedliche Lichtfarben gemischt werden.
Die Ansteuerung der Lichtquelle 250 erfolgt über einen Steuerausgang der Steuerspannungsquelle 206, über welchen die konstante Steuerspannung 207 bereitgestellt wird. Die konstante Steuerspannung 207 kann beispielsweise 3 V +/- 0,3 V betragen. Konstant bedeutet folglich gleichbleibend innerhalb vorgegebener Grenzen.
In der Beleuchtungsanordnung 200 ist die Lichtquelle 250 über den Begrenzungswiderstand 214 mit dem Spannungseingang 201 gekoppelt. Der Begrenzungswiderstand 214 ist optional und kann den Strom durch die Lichtquelle 250 so begrenzen dass diese beispielsweise erst ab einer vorgegebenen Versorgungsspannung am Spannungseingang 201 anfängt zu leuchten. Der Begrenzungswiderstand 214 kann beispielsweise einen Wert von 39 Ohm aufweisen und den Strom durch die Lichtquelle 250 damit derart begrenzen, dass diese erst ab ca. 8 V Versorgungsspannung anfängt zu leuchten.
Die Lichtquelle 250 selbst ist eine LED 217, die zusätzlich mit einem ESD-Schutzelement 218 versehen ist, um eine Zerstörung der LED 217 durch statische Entladungen zu verhindern. Das spannungsgesteuerte Schaltelement 202 der Beleuchtungsanordnung 200 weist einen NPN-Transistor 215 auf. Zwischen dem Basisanschluss, also dem Steuereingang, des NPN-Transistor 215 und dem Steuerausgang der Steuerspannungsquelle 206 ist ein Basiswiderstand 209 angeordnet und zwischen dem Emitteranschluss, also dem Lastausgang, des NPN-Transistor 215 und dem Masseanschluss 208 ist ein Emitterwiderstand 210 angeordnet. Die LED 217 der Lichtquelle 250 ist zwischen dem Begrenzungswiderstand 214 und dem Kollektoreingang des NPN-Transistors 215 angeordnet.
Der Basiswiderstand 209 und der Emitterwiderstand 210 sind nun derart dimensioniert, dass die Änderung der Basis-Emitter-Spannung 216 in dem NPN-Transistor 215 zu einer Erhöhung der Spannung über dem Emitterwiderstand 210 führt. Durch die Erhöhung der Spannung über dem Emitterwiderstand 210 erhöht sich gleichzeitig auch der Strom durch den Emitterwiderstand 210 und damit der Strom durch die Lichtquelle 250. Bei geeigneter Dimensionierung gleicht diese Stromerhöhung den Helligkeitsverlust der LED 217 aus.
Für die Beleuchtungsanordnung 200 kann die Dimensionierung wie folgt aussehen:
Der Emitterwiderstand 210 kann basierend auf einer erwarteten Eigenerwärmung der Lichtquelle 250 und einer zur Kompensation der erwarteten Eigenerwärmung nötigen Stromerhöhung dimensioniert sein.
Die erwartete Eigenerwärmung der Lichtquelle 250 lässt sich anhand der Verlustleistung P_LED der Lichtquelle 250 und deren Wärmewiderstand R_{th_LED} berechnen. Die Verlustleistung P_LED ergibt sich aus der Vorwärtsspannung V_{F_LED} der Lichtquelle 250 und dem für die gewünschte Lichtstärke benötigten Strom I_LED. Bei LED-Lichtquellen 250 können die Vorwärtsspannung V_{F_LED} und der benötigte Strom I_LED dem Datenblatt entnommen werden.
Die Lichtquelle 250 kann eine Vorwärtsspannung V_{F_LED} von 3 V und einen Strom I_LED von 50 mA benötigen. Die Verlustleistung P_LED ergibt sich dann zu $P_{LED} : = I_{LED} * V_{F_LED} = 0.15 W$
Die Eigenerwärmung T_LED der LED-Lichtquelle 250 bei 23 Grad Raumtemperatur kann berechnet werden als: $T_{LED} : = 23 {K+R}_{th_LED} * P_{LED} = 64,25 K$
Basierend auf der Eigenerwärmung und der Lichtstärkereduzierung beziehungsweise dem Intensitätsverlust durch Erwärmung der LED-Lichtquelle 250 (dem Datenblatt zu entnehmen), kann die Stromänderung ΔI_LED berechnet werden, die nötig ist, um den Lichtstärkeverlust auszugleichen. Die Lichtstärkereduzierung durch Erwärmung kann dem Datenblatt entnommen werden und beispielsweise ΔI_Licht := -0.15 %/K betragen. Die benötigte Stromerhöhung ergibt sich folglich zu: $Δ I_{LED} : = | Δ I_{Licht} * T_{LED} | = 9,637 %$
Für den NPN-Transistor 215 kann die Reduzierung der Basis-Emitter-Spannung ebenfalls berechnet werden. Es wird hier davon ausgegangen, dass die Temperatur T_T des Transistors in etwa der Temperatur T_LED der LED-Lichtquelle 250 entspricht, T_T ∼ T_LED.
Die temperaturabhängige Spannungsänderung des NPN-Transistors 215 kann dem Datenblatt entnommen werden und kann beispielsweise ΔU_BE := -2.129 mV/K betragen.
Die Reduzierung der Basis-Emitter-Spannung beträgt folglich bei der oben angegebenen Temperaturänderung: $Δ U:= | Δ U_{BE} * T_{T} | = 0.113 V$
Damit ergibt sich der optimale Spannungsabfall am Emitterwiderstand 210 zu $U_{RE} : = Δ U/ Δ I_{LED} = 1.171 V$
Der Wert des Emitterwiderstands 210 ergibt sich damit zu $R_{RE} : = U_{RE} {/I}_{LED} = 23,416 Ω$
Der Basiswiderstand 209 kann basierend auf einem Verstärkungsfaktor des NPN-Transistors 215, dem Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand 210 und einem gewünschten Strom I_LED durch die Lichtquelle 250 dimensioniert werden. Der Spannungsabfall über dem Basiswiderstand 209 ergibt sich aus der konstante Steuerspannung 207, hier V_S = 3 V +/- 0.3 V, abzüglich der Basis-Emitter-Spannung 216, hier U_BE, und des Spannungsabfalls über dem Emitterwiderstand 210 zu $U_{RB} : = V_{S} - U_{RE} - U_{BE} = 1,159 V$
U_BE kann beispielsweise dem Datenblatt des NPN-Transistors 215 entnommen werden. Generell gilt, je kleiner der Spannungsabfall am Basiswiderstand 209, desto stärker ist der Kompensationseffekt durch das spannungsgesteuerte Schaltelement 202. Der Spannungsabfall sollte aber mindestens den möglichen Schwankungen der konstanten Steuerspannung 207 zzgl. Einer Reserve von beispielsweise 50% entsprechen, hier also 0,3 V + 0,15 V.
Der maximale Basiswiderstand 209 ergibt sich folglich zu $R_{B_max} : = U_{RB} / (I_{LED} {/h}_{FE_min}) = 3,941 k Ω$
Wobei h_{FE_min} den minimalen Stromverstärkungsfaktor des NPN-Transistors 215 darstellt. Der Basiswiderstand 209 kann u.U. auch kleiner gewählt werden, sodass der NPN-Transistor 215 in Sättigung gehen kann.
Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung der verfahrensbasierten 3 die Bezugszeichen zu den 1, 2 und 4 - 8 als Referenz beibehalten.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Kompensieren der Temperaturabhängigkeit einer Lichtquelle 150, 250.
Das Verfahren weist in einem ersten Schritt S1 des Versorgens das Versorgen eines Eingangs 151 der Lichtquelle 150, 250 mit einer Eingangsspannung auf. Diese kann beispielsweise von einem Fahrzeugbordnetz bereitgestellt werden.
Ferner wird in einem zweiten Schritt S2 des Steuerns der Strom durch die Lichtquelle 150, 250 mit einem spannungsgesteuerten Schaltelement 102, 202 gesteuert, welches einen Lasteingang 103, einen Lastausgang 104 und einen Steuereingang 105 aufweist. Der Lasteingang 103 des spannungsgesteuerten Schaltelements 102, 202 wird mit einem Ausgang 152 der Lichtquelle 150, 250 gekoppelt und der Lastausgang 104 wird mit einem Masseanschluss 108, 208 gekoppelt.
Schließlich wird in einem dritten Schritt S3 des Bereitstellens eine konstante Steuerspannung 107, 207 in einem aktiven Zustand, also bei eingeschalteter Lichtquelle 150, 250, an dem Steuereingang 105 des spannungsgesteuerten Schaltelements 102, 202 bereitgestellt.
Das spannungsgesteuerte Schaltelement 102, 202 wird dabei derart dimensioniert, dass eine Temperaturabhängigkeit des spannungsgesteuerten Schaltelements 102, 202 die Temperaturabhängigkeit der Lichtquelle 150, 250 kompensiert.
Um die Kompensation in Abhängigkeit der Temperatur der Lichtquelle 150, 250 durchführen zu können, können die Lichtquelle 150, 250 und das spannungsgesteuerte Schaltelement 102, 202 thermisch derart miteinander gekoppelt werden, dass im Betrieb die Temperaturänderungen in der Lichtquelle 150, 250 und in dem spannungsgesteuerten Schaltelement 102, 202 zumindest das gleiche Vorzeichen aufweisen.
In dem spannungsgesteuerten Schaltelement 102, 202 kann ein NPN-Transistor 215 und ein zwischen dem Basisanschluss des NPN-Transistors 215 und dem Spannungsausgang der Steuerspannungsquelle 106, 206 angeordneter Basiswiderstand 209 sowie ein zwischen dem Emitteranschluss des NPN-Transistors 215 und dem Masseanschluss 108, 208 angeordneter Emitterwiderstand 210 bereitgestellt werden. Der Basiswiderstand 209 und der Emitterwiderstand 210 sind dabei die Bauelemente, die derart ausgelegt werden können, dass bei einer temperaturabhängigen Verringerung einer Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors 215 die Spannung über dem Emitterwiderstand 210 steigt. Wie oben bereits erläutert, führt dieser Anstieg der Spannung über dem Emitterwiderstand 210 zu einem erhöhten Stromfluss durch den Emitterwiderstand 210 und damit auch durch die Lichtquelle 250.
Der Emitterwiderstand 210 kann basierend auf einer erwarteten Eigenerwärmung der Lichtquelle 150, 250 und einer zur Kompensation der erwarteten Eigenerwärmung nötigen Stromerhöhung dimensioniert werden. Der Basiswiderstand 209 kann basierend auf einem Verstärkungsfaktor, dem Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand 210 und einem gewünschten Strom durch die Lichtquelle 150, 250 dimensioniert werden. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle auf die Erläuterungen zu 1 und 2 verwiesen.
4 zeigt ein Diagramm der Temperaturen, wie sie in einer Beleuchtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung auftreten können, beispielsweise in der Beleuchtungsanordnung 200.
Die Temperaturkurve 400 zeigt die Temperatur für den NPN-Transistor, die Temperaturkurve 401 zeigt die Temperatur für die Lichtquelle, die Temperaturkurve 402 zeigt die Temperatur für die Steuerspannungsquelle. Die Temperaturkurve 403 zeigt die Temperatur in der Nähe Lichtquelle, die Temperaturkurve 404 zeigt die Temperatur in der Nähe des Transistors und die Temperaturkurve 405 zeigt die Umgebungstemperatur.
In 4 ist deutlich zu erkennen, dass beispielsweise bei der Beleuchtungsanordnung 200 der 2 eine sehr hohe thermische Kopplung zwischen der Lichtquelle 250 und dem NPN-Transistor 215 möglich ist. Dazu können diese beispielsweise gemeinsam auf einer Platine und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden.
5 zeigt ein Diagramm der Stromänderung 500, 501, 502 für drei beispielhafte Schaltelemente zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. Das Diagramm zeigt dabei den Strom durch den Emitterwiderstand der Schaltung, die beispielsweise in 2 für das Schaltelement 202 angegeben ist. Der Koeffizient der Stromänderung kann beispielsweise dem Datenblatt des jeweiligen Transistors, beispielsweise des NPN-Transistor 215, entnommen werden beziehungsweise aus der Kurve für die Basis-Emitter-Spannung über den Kollektor-Emitter-Strom bei verschiedenen Temperaturen abgeleitet werden.
Es ist zu erkennen, dass zwischen dem Einschalten bei einer Raumtemperatur von 23 Grad und dem eingeschwungenen Zustand bei 65 Grad eine Schwankung in dem Ausgangsstrom von 8% für Kurve 500, 8,51 % für Kurve 501 und 6,38% für Kurve 502 vorhanden ist. Diese Werte können je nach Auslegung der Schaltelemente und Auswahl der einzelnen Bauelemente, insbesondere der NPN-Transistoren, variieren. (Angemerkt sei, dass - beispielhafte - Temperaturangaben immer in Grad Celsius erfolgen)
6 zeigt ein Diagramm der Lichtstärke 600 gegenüber dem Strom bei einer beispielhaften LED zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. In der in 2 gezeigten Schaltung wird die LED 217 nominell mit 50 mA betrieben. Eine Schwankung von ca. 8%, wie in 5 für unterschiedliche Schaltelemente angegeben, würde also eine Änderung des Stroms um ca. 4 mA bedeuten.
Dem Diagramm der 6 ist zu entnehmen, dass sich die Lichtstärke 600 der LED damit um ca. 5 - 6 % erhöhen würde.
7 zeigt ein Diagramm der Lichtstärkeänderung 700 in Abhängigkeit der Temperatur für die bereits in 6 betrachtete LED. Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass eine Erhöhung der Temperatur auf 65 Grad die Lichtstärke um ca. 5 % verringern würde.
Die Stromerhöhung durch das Schaltelement ist also so groß, dass der Lichtstärkeverlust ausgeglichen wird.
8 zeigt ein Diagramm der Spannungen in einem Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Spannungen 800, 803 stellen die Spannung über dem Basiswiderstand 209 der 2 dar. Die Spannungen 801, 804 stellen die Basis-Emitter-Spannung 216 dar und die Spannungen 802, 805 stellen die Spannung über dem Emitterwiderstand 210 dar.
Es ist zu erkennen, dass vor der Eigenerwärmung die Basis-Emitter-Spannung 801 höher ist, als die Basis-Emitter-Spannung 804 nach der Eigenerwärmung. Das gleiche gilt für die Spannung 800, 803 über dem Basiswiderstand 209. Gleichzeitig steigt die Basis-Emitter-Spannung 805 nach der Eigenerwärmung gegenüber der Basis-Emitter-Spannung 802 vor der Eigenerwärmung deutlich an. Dieser Spannungsanstieg der Basis-Emitter-Spannung 805 ist gleichzeitigt die Ursache für den erhöhten Stromfluss.
Da es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft.
Bezugszeichenliste

100: Schaltungsanordnung
200: Beleuchtungsanordnung
101,201: Spannungseingang
102, 202: spannungsgesteuertes Schaltelement
103: Lasteingang
104: Lastausgang
105: Steuereingang
106, 206: Steuerspannungsquelle
107, 207: konstante Steuerspannung
108,208: Massenanschluss
209: Basiswiderstand
210: Emitterwiderstand
211: grüne LED
212: rote LED
213: blaue LED
214: Begrenzungswiderstand
215: NPN-Transistor
216: Basis-Emitter-Spannung
217: LED
218: ESD Schutzelement
150,250: Lichtquelle
151: Eingang der Lichtquelle
152: Ausgang der Lichtquelle
400, 401, 402, 403, 404, 405: Temperatur
500,501,502: Strom
600, 700: Lichtstärke
800,801,802,803,804,805: Spannung
S1 - S3: Verfahrensschritte

Claims

Schaltungsanordnung (100) zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit einer Lichtquelle (150, 250), mit: einem Spannungseingang (101, 201), welcher mit einem Eingang (151) der Lichtquelle (150, 250) gekoppelt ist, einem spannungsgesteuerten Schaltelement (102, 202), welches einen Lasteingang (103), einen Lastausgang (104) und einen Steuereingang (105) aufweist, wobei der Lasteingang (103) des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) mit einem Ausgang (152) der Lichtquelle (150, 250) gekoppelt ist, einer Steuerspannungsquelle (106, 206), welche einen mit dem Steuereingang (105) des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) gekoppelten Spannungsausgang aufweist, welcher in einem aktiven Zustand eine konstante Steuerspannung (107, 207) ausgibt, und einem Massenanschluss (108, 208), wobei der Lastausgang (104) des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) mit dem Masseanschluss (108, 208) gekoppelt ist, wobei das spannungsgesteuerte Schaltelement (102, 202) derart dimensioniert ist, dass eine Temperaturabhängigkeit des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) die Temperaturabhängigkeit der Lichtquelle (150, 250) kompensiert.
Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (150, 250) und das spannungsgesteuerte Schaltelement (102, 202) thermisch derart gekoppelt sind, dass im Betrieb der Schaltungsanordnung (100) die Temperaturänderungen in der Lichtquelle (150, 250) und dem spannungsgesteuerten Schaltelement (102, 202) zumindest das gleiche Vorzeichen aufweisen.
Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das spannungsgesteuerte Schaltelement (102, 202) einen NPN-Transistor (215) und einen zwischen dem Basisanschluss des NPN-Transistors (215) und dem Spannungsausgang der Steuerspannungsquelle (106, 206) angeordneten Basiswiderstand (209) sowie einen zwischen dem Emitteranschluss des NPN-Transistors (215) und dem Masseanschluss (108, 208) angeordneten Emitterwiderstand (210) aufweist, wobei der Basiswiderstand (209) und der Emitterwiderstand (210) derart ausgelegt sind, dass bei einer temperaturabhängigen Verringerung einer Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors (215) die Spannung über dem Emitterwiderstand (210) steigt.
Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 3, wobei der Emitterwiderstand (210) basierend auf einer erwarteten Eigenerwärmung der Lichtquelle (150, 250) und einer zur Kompensation der erwarteten Eigenerwärmung nötigen Stromerhöhung dimensioniert ist.
Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Basiswiderstand (209) basierend auf einem Verstärkungsfaktor des NPN-Transistors (215), dem Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand (210) und einem gewünschten Strom durch die Lichtquelle (150, 250) dimensioniert ist.
Beleuchtungsanordnung (200) mit einer Schaltungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, einer Lichtquelle (150, 250), welche mit der Schaltungsanordnung (100) gekoppelt ist, und einer Steuereinrichtung, welche ausgebildet ist, die Steuerspannungsquelle (106, 206) anzusteuern.
Verfahren zum Kompensieren der Temperaturabhängigkeit einer Lichtquelle (150, 250), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Versorgen (S1) eines Eingangs (151) der Lichtquelle (150, 250) mit einer Eingangsspannung, Steuern (S2) des Stroms durch die Lichtquelle (150, 250) mit einem spannungsgesteuerten Schaltelement (102, 202), welches einen Lasteingang (103), einen Lastausgang (104) und einen Steuereingang (105) aufweist, wobei der Lasteingang (103) des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) mit einem Ausgang (152) der Lichtquelle (150, 250) gekoppelt wird und der Lastausgang (104) mit einem Masseanschluss (108, 208) gekoppelt wird, und Bereitstellen (S3) einer konstanten Steuerspannung (107, 207) in einem aktiven Zustand an dem Steuereingang (105) des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202), wobei das spannungsgesteuerte Schaltelement (102, 202) derart dimensioniert wird, dass eine Temperaturabhängigkeit des spannungsgesteuerten Schaltelements (102, 202) die Temperaturabhängigkeit der Lichtquelle (150, 250) kompensiert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Lichtquelle (150, 250) und das spannungsgesteuerte Schaltelement (102, 202) thermisch derart gekoppelt werden, dass im Betrieb die Temperaturänderungen in der Lichtquelle (150, 250) und dem spannungsgesteuerten Schaltelement (102, 202) zumindest das gleiche Vorzeichen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 7 und 8, wobei in dem spannungsgesteuerten Schaltelement (102, 202) ein NPN-Transistor (215) und ein zwischen dem Basisanschluss des NPN-Transistors (215) und dem Spannungsausgang der Steuerspannungsquelle (106, 206) angeordneter Basiswiderstand (209) sowie ein zwischen dem Emitteranschluss des NPN-Transistors (215) und dem Masseanschluss (108, 208) angeordneter Emitterwiderstand (210) bereitgestellt wird, wobei der Basiswiderstand (209) und der Emitterwiderstand (210) derart ausgelegt werden, dass bei einer temperaturabhängigen Verringerung einer Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors (215) die Spannung über dem Emitterwiderstand (210) steigt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Emitterwiderstand (210) basierend auf einer erwarteten Eigenerwärmung der Lichtquelle (150, 250) und einer zur Kompensation der erwarteten Eigenerwärmung nötigen Stromerhöhung dimensioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Basiswiderstand (209) basierend auf einem Verstärkungsfaktor, dem Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand (210) und einem gewünschten Strom durch die Lichtquelle (150, 250) dimensioniert wird.