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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine LED-Kettenschaltung aus Leuchtdioden (LED-Kettenschaltung). Die Steuervorrichtung ist zum Steuern einer Stromstärke eines Diodenstroms der LED-Kettenschaltung ausgestaltet. Zu der Erfindung gehört auch eine Beleuchtungsvorrichtung mit der Steuervorrichtung. Die Erfindung ist insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, weshalb durch die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen ist.
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Unter einer LED-Kettenschaltung ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine kaskadierte Schaltung zu verstehen, deren einzelne Kaskadenelemente jeweils eine Leuchtdiode (LED) und einen dazu parallel geschalteten Überbrückungsschalter zum Kurzschließen der Leuchtdiode vorsehen. Die Kaskadenelemente sind in einer Reihenschaltung oder Serienschaltung geschaltet. Die Anordnung aus steuerbaren Überbrückungsschaltern ist im Zusammenhang mit der Erfindung insgesamt als Überbrückungsschaltung bezeichnet.
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Für einen schonenden Betrieb der Leuchtdioden kann eine Versorgungsschaltung mit einem Anschluss der LED-Kettenschaltung verschaltet sein, sodass ein Diodenstrom aus der Versorgungsschaltung in die hintereinander geschalteten Leuchtdioden eingeprägt werden kann. Die Versorgungsschaltung kann eine Stromstärke des Diodenstroms auf einen Kennwert einregeln, der durch den Leuchtdiodentyp vorgegeben ist. Wird der Kennwert überschritten, so kann dies den Leuchtdioden schaden. Der Stromkreis wird über ein Massepotential geschlossen.
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Um nun eine einzelne Leuchtdiode oder einige der Leuchtdioden dunkel zu schalten, während zumindest eine Leuchtdiode weiterleuchtet, genügt es, den Überbrückungsschalter der dunkel zu schaltenden Leuchtdiode elektrisch leitend zu schalten. Die Leuchtdiode wird hierdurch kurzgeschlossen und der Diodenstrom fließt über den elektrisch leitend geschalteten Überbrückungsschalter an der Leuchtdiode vorbei. Hierdurch entsteht kein Kurzschlussstrom, da die Versorgungsschaltung die Stromstärke des Diodenstroms regelt oder begrenzt.
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Eine solche LED-Kettenschaltung ist beispielsweise aus der
US 8203283 B2 bekannt. Daraus ist auch bekannt, dass zum Verringern einer Welligkeit des Diodenstroms ein Glättungskondensator der LED-Kettenschaltung parallel geschaltet sein kann.
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Der Glättungskondensator stellt bei Kurzschließen einer einzelnen oder einiger der Leuchtdioden der LED-Kettenschaltung ein Problem dar. Denn vor dem Kurzschließen ist der Glättungskondensator auf einen Spannungswert aufgeladen, der sich zum einen aus dem elektrischen Widerstand der LED-Kettenschaltung zwischen ihrem Anschluss und dem Massepotential und zum anderen aus der eingeregelten Stromstärke des Diodenstroms ergibt. Wird nun durch einen Überbrückungsschalter oder einige der Überbrückungsschalter zumindest eine Leuchtdiode kurzgeschlossen, so verringert sich hierdurch der elektrische Widerstand der LED-Kettenschaltung. Dies sorgt dafür, dass sich der Glättungskondensator aufgrund des geringeren elektrischen Widerstands über die LED-Kettenschaltung elektrisch entlädt, bis die Kondensatorspannung so weit gesunken ist, dass sich wieder ein Gleichgewicht ergibt, das durch den Stromstärkewert des Diodenstroms und den neu eingestellten elektrischen Widerstand der LED-Kettenschaltung festgelegt ist.
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Für die Zeit des Entladens des Glättungskondensators fließt somit zusätzlich zu dem Diodenstrom, der durch die Versorgungsschaltung eingeprägt wird, auch der Entladungsstrom aus dem Glättungskondensator durch die LED-Kettenschaltung. Damit werden die Leuchtdioden mit einer größeren Stromstärke betrieben, als ihr Kennwert vorgibt.
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Aus der
DE 10 2008 010 320 A1 ist eine Steuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
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Aus der
US 2016/0 135 258 A1 und der
US 2014/0 085 945 A1 sind Verfahren zur Flicker-Reduzierung bei einer LED-Kettenschaltung bekannt.
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Aus der
DE 10 2015 221 358 A1 ist ein Lichtmodul für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs bekannt, umfassend in Reihe geschaltete, mittels einer jeweiligen Schalteinheit überbrückbare Halbleiterlichtquellen. Ein Linearregler ist in Reihe mit den Halbleiterlichtquellen geschaltet. Ein Schließvorgang einer oder mehrerer Schalteinheiten ist ermittelbar. Ein Widerstand des Linearreglers ist in Abhängigkeit von dem Schließvorgang erhöhbar.
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Aus der
DE 10 2013 102 312 B3 ist eine Betriebsschaltung zum Betreiben eines Leuchtmoduls mit einem Überspannungsschutz bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine LED-Kettenschaltung mit Überbrückungsschaltung schonend zu betreiben.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist die eingangs beschriebene Steuervorrichtung zum Steuern der Stromstärke des Diodenstroms einer LED-Kettenschaltung dadurch weitergebildet, dass bei der LED-Kettenschaltung deren zweiter Anschluss, der also mit dem Massepotential verbunden werden muss, um den Stromkreis zu schließen, indirekt über einen Regeltransistor mit dem Massepotential gekoppelt ist, sodass an dem zweiten Anschluss der Diodenstrom über diesen Regeltransistor zu dem Massepotential geführt ist. Der Regeltransistor wird durch eine Reglerschaltung gesteuert, die dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage einer integrierenden Regelung (I-Regelung) einen Spannungsabfall über dem Regeltransistor auf einen vorbestimmten Sollwert einzuregeln. Eine Zeitkonstante (Anstieg um den Faktor e = 2,71 ...; Eulersche Zahl) ist insbesondere größer als 10 μs, insbesondere größer als 20 μs.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass beim Überbrücken oder Kurzschließen einer Leuchtdiode oder einiger Leuchtdioden in der LED-Kettenschaltung weiterhin (wie im Stand der Technik) die Kondensatorspannung zwar über der LED-Kettenschaltung und dem Regeltransistor abfällt, hierdurch aber keinen instantanen Stromanstieg bewirken kann, da der dynamische Widerstand der Schaltstrecke des Regeltransistors (d. h. der Drain-Source-Strecke oder Kollektor-Emitter-Strecke) so eingestellt werden kann, dass der Regeltransistor auf einen Anstieg der elektrischen Spannung mit einem Anstieg seines elektrischen Widerstands reagiert. Der dynamische Widerstand ist durch den Arbeitspunkt des Regeltransistors gegeben, der wiederum mittels des Sollwerts in der Reglerschaltung eingestellt werden kann. In seinem Arbeitspunkt blockiert der Regeltransistor dann ohne einen Steuerbedarf selbsttätig einen Stromanstieg des Diodenstroms durch seine dynamische Widerstandserhöhung. Dies verhindert ein Entladen des Kondensators mit einem Entladungsstrom, der größer als ein maximal zugelassener Diodenstrom ist. Mit selbständig ist gemeint, dass der Strom der Basis bzw. die Spannung am Drain des Regeltransistors konstant bleiben kann.
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Indem hierbei zusätzlich eine integrierende Regelung verwendet wird, baut die Reglerschaltung mittels des Regeltransistors zudem nach einem ersten Spannungsimpuls des Glättungskondensators dennoch durch entsprechendes Aufregeln des Stroms oder Verringern des elektrischen Widerstands des Regeltransistors die Energie des Kondensators über der Zeit verteilt ab. Somit wird der Glättungskondensator also insgesamt nicht schlagartig entladen, sondern dies geschieht über eine vorbestimmte Mindestzeitdauer verteilt.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale technische Merkmale, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der besagte Sollwert größer als 0,5 V und kleiner als 2 V ist. Durch einen Sollwert größer als 0,5 V wird der Arbeitspunkt des Regeltransistors in einem Bereich des dynamischen Widerstands gehalten, der weniger als 2 A Stromsteigerung bei einer Veränderung der elektrischen Spannung über der Schaltstrecke von 10 V aufweist. Das bedeutet bei einem Bipolartransistor (bipolar junction transistor), dass der Kollektorstrom IC um weniger als 2 A ansteigt, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung VCE vom Arbeitspunkt aus um 10 V ansteigt. Dies schützt die Dioden vor einem Stromstoß aufgrund der Entladung des Kondensators. Ein geeigneter Arbeitspunkt kann aus einem Kennlinienfeld des verwendeten Regeltransistors entnommen werden.
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Bevorzugt ist der Regeltransistor ein solcher Bipolartransistor, wodurch er zum einen eine inhärente Schaltträgheit aufweist, die hier einen Schutz für die Leuchtdioden vor einem zu schnellen Anstieg des Diodenstroms darstellt. Zum anderen lässt sich die Schaltung hierdurch auch kostengünstig bereitstellen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Steuereingang des Regeltransistors (also die Basis oder das Gate) direkt über einen Erdungskondensator mit dem Massepotential gekoppelt ist. Damit liegt also der Steuereingang für stufenförmige oder sprunghafte zeitliche Verläufe auf dem Massepotential, sodass diese Verläufe nur einen zeitlich verzögerten Einfluss auf den Steuereingang haben.
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Ein Spannungsstoß des Glättungskondensators, der unmittelbar nach dem Kurzschließen einer Leuchtdiode oder mehrerer Leuchtdioden der LED-Kettenschaltung entstehen kann, lässt sich sogar an der LED-Kettenschaltung vorbei zum Massepotential leiten. Bevorzugt weist die Steuervorrichtung hierzu zudem eine Begrenzungsschaltung auf, die einen die LED-Kettenschaltung überbrückenden Schalter bereitstellt. Diese Begrenzungsschaltung ist dazu eingerichtet, eine Überspannung in der LED-Kettenschaltung oder am Regeltransistor zu detektieren. Diese Überspannung ergibt sich beim Kurzschließen zumindest einer der Leuchtdioden innerhalb der LED-Kettenschaltung oder an dem Regeltransistor und ist in der besagten Weise durch den Glättungskondensator verursacht. Die Begrenzungsschaltung erfasst diese Überspannung und schaltet den besagten Schalter elektrisch leitend, falls der Wert der Überspannung größer als ein Grenzwert ist. Somit wird also der erste Anschluss der LED-Kettenschaltung, an welchem der Glättungskondensator seine Kondensatorspannung einprägt, über den Schalter an der LED-Kettenschaltung vorbei mit dem Massepotential verbunden. Somit kann ein initialer Entladungsstrom über den Schalter aus dem Glättungskondensator abfließen und zwar an der LED-Kettenschaltung vorbei. Somit werden die Leuchtdioden nicht mit diesem Entladungsstrom beaufschlagt, der einen Strompuls mit einer Stromstärke darstellt, die mindestens zweimal größer als der Kennwert ist und z. B. über 5 A betragen kann.
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Die Begrenzungsschaltung ist bevorzugt dazu eingerichtet, die besagte Überspannung an einem Eingang der Schaltstrecke des Regeltransistors zu erfassen. Es handelt sich also um diejenige Spannung, die zum Beispiel am Kollektor oder Drain des Regeltransistors abfällt. Bevorzugt ist dieser Abgriffspunkt oder Messpunkt der Überspannung mit dem Steuereingang des Schalters gekoppelt, d. h. sie wird diesem Steuereingang zugeführt. So kann beispielsweise ein Kollektor des Regeltransistors an der Basis oder dem Gate des Schalters angeschlossen sein, wobei hier auch eine Kopplung direkt oder über beispielsweise einen elektrischen Widerstand oder ein anderes elektrisches Bauelement vorgesehen sein kann. Somit schaltet der Schalter in den elektrisch leitenden Zustand, sobald die Überspannung am Regeltransistor abfällt.
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Der Schalter ist bevorzugt ein Feldeffekttransistor (FET). Hierdurch ist eine Verzögerungsdauer, die sich zwischen dem Erkennen oder Detektieren der Überspannung und dem Durchschalten des Schalters (in den elektrisch leitenden Zustand) ergibt, derart kurz, dass der Entladestrom durch die Leuchtdioden nicht über einen vorbestimmten Höchstwert steigen kann.
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Zum Steuern des Regeltransistors ist die besagte integrierende Reglerschaltung bereitgestellt. Um diese zu realisieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass die integrierende Regelung auf der Grundlage eines Operationsverstärkers und eines integrierenden RC-Glied gebildet ist, das den Ausgang des Operationsverstärkers mit einem invertierenden Eingang verbindet. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist dabei über eine Diodenschaltung mit dem Massepotential verschaltet. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Integrator nicht in Sättigung kommt. Die Diodenschaltung kann im einfachsten Fall durch eine Zener-Diode oder eine Reihenschaltung aus Zener-Dioden gebildet sein.
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Die Steuervorrichtung kann in einer Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellt werden, die dann auch die LED-Kettenschaltung aufweisen kann. Diese Beleuchtungsvorrichtung kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Die Kombination aus Steuervorrichtung und LED-Kettenschaltung ergibt dann die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung.
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Durch Bereitstellen der Beleuchtungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug ergibt sich das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Zum Anmeldungsgegenstand gehört auch ein Verfahren, das Verfahrensschritte umfasst, die sich im Betrieb der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung in der beschriebenen Weise ergeben. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Verfahrensschritte des Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
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2 Diagramme mit schematisierten Verläufen von Signalen, die sich in einer Beleuchtungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs von 1 ergeben können.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich zum Beispiel um einen Kraftwagen handeln kann. In dem Kraftfahrzeug 10 kann eine Beleuchtungsvorrichtung 11 bereitgestellt sein, die zum Beispiel Bestandteil eines Scheinwerfers oder eines Fahrtrichtungsanzeigers (Blinkers) sein kann.
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Die Beleuchtungsvorrichtung 11 kann eine Steuervorrichtung CNTL (insbesondere in Form einer Steuerschaltung) und eine LED-Kettenschaltung 12 mit mehreren Leuchtdioden 13 aufweisen, wobei in 1 die Leuchtdioden 13 durch die Bezeichnung LED1, LED2, ..., LEDN unterschieden sind und N die Gesamtanzahl der Leuchtdioden 13 ist. N kann größer als 1 sein, insbesondere größer als 10. Die Leuchtdioden 13 können in der LED-Kettenschaltung 12 auch beispielsweise als eine Matrix räumlich angeordnet sein, um eine flächige Lichtquelle zu ergeben.
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Die einzelnen Leuchtdioden 13 können unabhängig von den übrigen Leuchtdioden 13 durch eine Überbrückungsschaltung 14 in Abhängigkeit von einem jeweiligen Schaltsignal V1, V2, ..., VN eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Die Schaltsignale V1, V2, ..., VN sind in 1 jeweils durch eine Spannungsquelle symbolisch repräsentiert. Für einen Dimmbetrieb kann auch vorgesehen sein, dass die Schaltsignale V1, V2, ..., VN eine Pulsweitenmodulation PWM1, PWM2, ..., PWMN aufweisen. Die Schaltsignale V1, V2, ..., VN steuern hierbei jeweils einen Überbrückungsschalter Q1, Q2, ..., QN, bei dem es sich jeweils beispielsweise um einen Transistor, insbesondere einen Feldeffekttransistor, handeln kann. Im Folgenden wird jede Leuchtdiode allgemein ohne ihre Ordnungsnummer als LED und der zugehörige Überbrückungsschalter entsprechend als Q bezeichnet.
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Die Leuchtdioden 13 sind hintereinander geschaltet, sodass sie von einem gemeinsamen Diodenstrom 15 durchflossen werden können. Indem ein Überbrückungsschalter Q elektrisch leitend geschaltet wird, wird der Diodenstrom 15 an der zugehörigen, überbrückten Leuchtdiode LED vorbeigeführt, sodass die Leuchtdiode LED dunkel bleibt oder ist. Durch Schalten des Überbrückungsschalters Q in den elektrisch sperrenden Zustand wird der Diodenstrom 15 durch die zugehörige Leuchtdiode LED geführt, sodass die Leuchtdiode LED leuchtet.
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Der Diodenstrom 15 kann durch eine Versorgungsschaltung I1 erzeugt werden, bei der es sich um eine Konstantstromquelle handeln kann, die in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein kann. Die Versorgungsschaltung I1 kann an einem Versorgungsanschluss oder kurz Anschluss 16 der LED-Kettenschaltung 12 elektrisch angeschlossen sein. Der Diodenstrom 15 kann über ein Massepotential 17 in die Versorgungsschaltung I1 zurückfließen, d. h. das Massepotential 17 schließt den Stromkreis. Zum Reduzieren einer Welligkeit eines zeitlichen Verlaufs des Diodenstroms 15 kann ein Glättungskondensator C1 den Anschluss 16 der LED-Kettenschaltung 15 mit dem Massepotential 17 verbinden.
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In Bezug auf das Massepotential 17 kann sich am Versorgungsanschluss 16 ein elektrisches Potential oder eine elektrische Spannung VLED ergeben, die von dem Gesamtwiderstand der LED-Kettenschaltung 12 und der Stromstärke des Diodenstroms 15 abhängig ist.
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An einem zweiten Anschluss 18 der LED-Kettenschaltung 12 ist diese mit dem Massepotential 17 verschaltet. Der Diodenstrom 15 kann über den zweiten Anschluss 18 zum Massepotential 17 fließen oder geführt werden.
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Hierbei ist der Anschluss 18 bei der Beleuchtungsvorrichtung 11 aber nicht direkt mit dem Massepotential 17 verschaltet, sondern über einen Regeltransistor Qreg, der durch eine Reglerschaltung 19 an einem Steuereingang 20 gesteuert werden kann.
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Eine elektrische Spannung Vdamp, die an einem Kollektor des Regeltransistors Qreg abfallen kann, kann durch eine Begrenzungsschaltung 21 erfasst werden. Die Begrenzungsschaltung 21 kann einen Schalter in Form eines Transistors Qdamp, der auch als Clamp-FET bezeichnet wird, aufweisen, durch welchen der Anschluss 16 der LED-Kettenschaltung 12 an der LED-Kettenschaltung 12 vorbei mit dem Massepotential 17 gekoppelt ist. Die Steuervorrichtung CNTL kann die Amplitude der Stromspitze des Diodenstroms 15, die bei dynamischer Überbrückung einzelner LEDs in der Ketteschaltung 12 entsteht, soweit reduzieren, bis die LED-Spezifikation oder der Kennwert in Bezug auf den zulässigen LED-Spitzenstrom erfüllt wird.
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Die LED-Kette LED1 ... LEDN wird hierzu von der Konstantstromquelle I1 angetrieben. In der Praxis kann die Konstantstromquelle I1 ein Buck-Wandler (Abwärtswandler) im Konstantstrombetrieb sein, aber auch ein Boost- oder SEPIC-Wandler (SEPIC, single-ended primary-inductor converter) oder eine aktive Stromquelle mit Operationsverstärker und Transistor sind beispielsweise möglich. Parallel zu der Stromquelle I1 ist der Glättungskondensator C1 angeschlossen, der für LED-Rippelstrom-Begrenzung und EMV-Performance zuständig ist. Er kann einen typischen Wert im μF-Bereich, z. B. 1 μF oder 2.2 μF oder 4.7 μF haben. Die LEDs können durch die parallelen Überbrückungsschalter Q1 ... QN überbrückt werden, um Dimm-PWMs PWM1 ... PWMN in einer LED-Matrix-Ansteuerung umsetzen zu können.
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Die Steuervorrichtung CNTL zur Begrenzung der LED-Stromspitzen besteht aus zwei zusätzlichen Subblöcken, nämlich:
- – der integrierenden Reglerschaltung 19, z. B. realisiert mit einem Operationsverstärker U1, integrierendem RC-Glied 22 aus Ri, Ci, einem Tiefpassfilter R3, C3, Bias-Spannungsteiler R2, R4, der den invertierenden Operationsverstärker-Eingang auf z. B. 1 V einstellt, Clamp-Diode D1 (Zener-Diode oder mehrere Diodenstrecken in Serie, je nach Auslegung, damit der Integrator nicht in Sättigung kommt), Strommessshunt Rreg und Regler-BJT Qreg;
- – der Begrenzungsschaltung 21 (Peak-Limiter), z. B. realisiert mit Spannungsteiler R5, R6, Zener-Diode D2 zum Schutz der Gate-Source-Strecke sowie dem Clamp-FET Qdamp.
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Die Funktionsweise der beschriebenen Schaltung gemäß 1 kann anhand der Strom- und Spannungsverläufe von 2 erkannt werden. Durch die dynamische LED-Stromumleitung mittels Q1, ..., QN wird die Länge der LED-Ketteschaltung 12 dynamisch verändert und damit ihr elektrischer Widerstand. Die LED-Kettenspannung VLED muss sich daher immer wieder neu einstellen.
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In den Situationen, wo sich die Anzahl der leuchtenden LEDs reduziert, muss die im Kondensator C1 gespeicherte Energie absorbiert werden. Ohne die hier beschriebene Schaltung würde dies in den LED-Chips geschehen, was zu LED-Überstromspitzen führt, die die elektrische Spezifikation der LEDs eventuell verletzen.
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Um dem entgegenzuwirken, werden die zwei Transistoren Qreg und Qdamp eingesetzt, die die Energiemengen während des Umschaltvorgangs absorbieren und in Wärme umwandeln. Sie verfügen bevorzugt über ein thermisch geeignetes Gehäuse (z. B. DPAK, SOT223, PowerSO8). Qdamp muss schnell ansprechen, daher wird bevorzugt ein FET eingesetzt. Dies könnte bei anderen Schaltungsanforderungen und Auslegung aber auch ein BJT sein. Qreg ist – als Teil eines Integrators – nicht zwangsweise schnell, daher wird ein kostengünstiger BJT bevorzugt eingesetzt. Je nach Situation könnte aber auch ein FET bereitgestellt werden.
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Qdamp überwacht die Kollektorspannung von Qreg und absorbiert die steilen Transientenströme, die sofort nach dem Umschalten durch die Entladung von C1 entstehen (siehe Vdamp). Dies geschieht dadurch, dass die Spannungsüberhöhung am Kollektor von Qreg, die während des Entladens des Ausgangs- bzw. Glättungskondensators C1 bei LED-Überbrückung entsteht, praktisch direkt an die Basis von Qdamp übergeben wird, da die Basis von Qreg AC-mäßig auf Masse liegt, nämlich bedingt durch den Erdungskondensator C3.
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Der Integrator mit Qreg ist zu diesem Zeitpunkt noch nicht eingeschwungen (siehe V
INT). Er greift später ein, um den Spannungsabfall über Qreg auf einer Spannungsvorgabe Vref zu halten. Vref ergibt sich als:
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Vorteilhaft ist, Vs auf ca. 100 mV zu halten, um Verluste zu minimieren und gleichzeitig genügend Spannung zur Aussteuerung von Qdamp zur Verfügung zu stellen. Vcc ist eine Versorgungsspannung. Ebenso vorteilhaft ist es, die Spannung Vref so einzustellen, dass die Kollektor-Emitter-Spannung von Qreg (angenommen dies ist ein BJT) auf ca. 1 V gehalten wird. Diese gewünschte Kollektor-Emitter-Spannung ergibt sich einerseits aus Überlegungen bezüglich:
- – der Verlustleistung im Transistor (möglichst gering),
- – des Arbeitspunktes (er sollte weit weg vom Sättigungsbereich des BJTs sein, damit der Integrator regeln kann) und
- – letztlich aus dem Grund, dass der dynamische Widerstand rc des Kollektors: am Rand zum Hochimpedanzbereich liegen sollte (siehe die IC-VCE-Kurven eines typischen Leistungs-BJTs).
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Das dynamische Verhalten der beschriebenen Schaltung (d. h. wie schnell sie reagiert und wie hoch die Rest-Strom-Transienten sind) kann durch geeignete Wahl der Pol- und Nullstellen (Zeitkonstanten) des Integrators angepasst werden: τP1 = R2||R4·C1 τP2 = R3·C3 τZ1 = Ri·Ci
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Durch die kombinierte Wirkung der Reglerschaltung 19 und der Begrenzungsschaltung 21 werden die LED-Stromspitzen auf einen verträglichen Wert reduziert (siehe in 2 den Verlauf des Diodenstroms 15), der in diesem Fall auf max. 1,4 A statt 5–6 A ansteigt, was z. B. bei einer 2 A-LED sehr hilfreich ist, um innerhalb der LED-Spezifikation zu bleiben.
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Die beschriebene Schaltung ist zudem als Prototyp aufgebaut und experimentell untersucht worden. Die Messergebnisse bestätigen die Funktionalität der Schaltung. Die LED-Stromspitzen werden bei dem Prototypen auf ca. 1.46 A reduziert.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Schaltung und ein Verfahren zur Stromspitzenbegrenzung in LED-Kettenschaltungen bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Beleuchtungsschalter
- 12
- LED-Kettenschaltung
- 13
- Leuchtdiode
- 14
- Überbrückungsschaltung
- 15
- Diodenstrom
- 16
- Erster Anschluss
- 17
- Massepotential
- 18
- Zweiter Anschluss
- 19
- Reglerschaltung
- 20
- Steuereingang
- 21
- Begrenzungsschaltung
- 22
- RC-Glied
- D1
- Versorgungsschaltung
- C1
- Glättungskondensator
- C3
- Erdungskondensator
- Qreg
- Regler Transistor
- Qdamp
- Schalter
- U1
- Operationsverstärker
