DE102019103755A1 - Verfahren zur Reduzierung des Maximums des von einer LED-Matrix aufgenommenen Stroms - Google Patents

Verfahren zur Reduzierung des Maximums des von einer LED-Matrix aufgenommenen Stroms Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft u.a. ein Verfahren zur Reduzierung des Maximums des von einer LED-Matrix aus einer Stromquelle aufgenommenen Stroms, wobei jede LED der LED-Matrix einen pulsweitenmodulierten Strom aus der Stromquelle aufnimmt, wobei jeder LED in einer Taktperiode des pulsweitenmodulierten Stroms ein Einschaltzeitraum zugeordnet ist, in welcher ein Strom durch die LED fließt, und/oder ein Ausschaltzeitraum zugeordnet ist, in welcher kein Strom durch die LED fließt, wobei der Einschaltzeitraum und der Ausschaltzeitraum genau so lang wie die Taktperiode oder kürzer sein können, und in dem Fall, dass der einer der LED zugeordnete Einschaltzeitraum und der dieser LED zugeordnete Ausschaltzeitraum kürzer als eine Taktperiode sind, der Einschaltzeitraum an einem Einschaltzeitpunkt beginnt und an einem Ausschaltzeitpunkt endet und der Ausschaltzeitraum an dem Ausschaltzeitpunkt beginnt und an dem Einschaltzeitpunkt endet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Maximums des von einem LED-Feld aus einer Stromquelle aufgenommenen Stroms, wobei jede LED des LED-Feldes einen pulsweitenmodulierten Strom aus der Stromquelle aufnimmt, wobei jeder LED in einer Taktperiode des pulsweitenmodulierte Stroms ein Einschaltzeitraum zugeordnet ist, in welchem ein Strom durch die LED fließt, und/oder ein Ausschaltzeitraum zugeordnet ist, in welchem kein Strom durch die LED fließt, wobei der Einschaltzeitraum und der Ausschaltzeitraum genau so lang wie die Taktperiode oder kürzer sein können, und in dem Fall, dass der einer der LED zugeordnete Einschaltzeitraum und der dieser LED zugeordnete Ausschaltzeitraum kürzer als eine Taktperiode sind, der Einschaltzeitraum an einem Einschaltzeitpunkt beginnt und an einem Ausschaltzeitpunkt endet und der Ausschaltzeitraum an dem Ausschaltzeitpunkt beginnt und an dem Einschaltzeitpunkt endet.
  • Die Pulsweitenmodulation von Strom zum Steuern der Helligkeit von LEDs ist weit verbreitet. Ebenso ist es verbreitet, die Helligkeit von LEDs eines LED-Feldes durch Pulsweitenmodulation einzustellen. In der Regel wird dabei so verfahren, dass die LED zu Beginn einer Taktperiode des PWM-Taktes eingeschaltet und nach dem für das Erreichen der gewünschten Helligkeit gewählten Einschaltzeitraum ausgeschaltet werden. Das Einschalten erfolgt somit für alle LED zeitgleich, das Ausschalten kann für jede LED zu einem anderen Ausschaltzeitpunkt erfolgen, je nach gewähltem Einschaltzeitraum.
  • Ein Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass die für die Versorgung des LED-Feldes vorgesehene Stromquelle ab dem Einschaltzeitpunkt stark belastet ist. Das führte in der Praxis aufgrund der geringen Stromaufnahme von LEDs bislang zu keinen Einschränkungen. Hersteller von LED-Scheinwerfern planen derzeit LED-Felder mit mehreren zig-Tausend LED einzusetzen. Stromquellen für solche LED-Felder müssen dazu ausgelegt sein, zumindest kurzzeitig zu Beginn einer Taktperiode einen Strom zu liefern, mit dem alle LEDs eines Feldes mit Strom versorgt werden können. Das kann zu zeitlich kurzen Strommaxima mit steilen Flanken führen. Diese können wiederum einen hohen Anteil von Oberschwingungen nach sich ziehen, was u.a. im Hinblick auf die EMV von Nachteil sein kann.
  • Hier setzt die Erfindung an.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der das Maximum des von einem LED-Feld aufgenommenen Stroms reduziert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird in einer ersten Variante erfindungsgemäß dadurch gelöst,
    • • dass der Einschaltzeitpunkt des Einschaltzeitraums, der einer ersten der LEDs zugeordnet ist, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, auf einen Zeitpunkt in der Taktperiode festgelegt wird, und
    • • dass die Einschaltzeitpunkte der Einschaltzeiträume, die den anderen der LEDs zugeordnet sind, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, auf einen der Ausschaltzeitpunkte eines Einschaltzeitraums genau einer anderen LED festgelegt werden.
  • Alternativ wird diese Aufgabe in einer zweiten Variante erfindungsgemäß dadurch gelöst,
    • • dass der Ausschaltzeitpunkt des Einschaltzeitraums, der einer ersten der LEDs zugeordnet ist, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, auf einen Zeitpunkt in der Taktperiode festgelegt wird, und
    • • dass die Ausschaltzeitpunkte der Einschaltzeiträume, die den anderen der LEDs zugeordnet sind, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, auf einen der Einschaltzeitpunkte eines Einschaltzeitraums genau einer anderen LED festgelegt werden.
  • Durch die erfindungsgemäßen Verfahren werden die Einschaltzeiträume der LEDs, die nicht während der gesamten Taktperiode eingeschaltet werden, aneinandergereiht. Dadurch kann erreicht werden, dass nicht alle LEDs gleichzeitig zum Beginn der Taktperiode eingeschaltet werden.
  • Vorzugsweise wird bei der ersten Variante der Einschaltzeitpunkt der ersten der LEDs auf den Beginn der Taktperiode gelegt. Entsprechend wird bei der zweiten Variante der Einschaltzeitpunkt der ersten der LEDs auf das Ende der Taktperiode gelegt.
  • Sollte die Summe der Einschaltzeiten der LED, die nicht während der gesamten Taktperiode eingeschaltet werden, bei der ersten Variante der Erfindung den Zeitraum zwischen dem Einschaltzeitpunkt der ersten LED und dem Ende der Taktperiode übersteigen, wird der Einschaltzeitraum wenigstens einer LED geteilt: Ein erster Teil des Einschaltzeitraums dieser LED wird zwischen den Ausschaltzeitpunkt der vorher eingeschalteten LED und das Ende der Taktperiode gelegt, ein zweiter Teil beginnt mit dem Beginn der Taktperiode und endet am Ausschaltzeitpunkt dieser LED. Die Summe der Längen der beiden Teile ergibt dabei selbstverständlich den Einschaltzeitraum dieser LED. Im Ergebnis wird die LED während einer Taktperiode für den vorgegebenen Einschaltzeitraum eingeschaltet, nämlich am Anfang der Taktperiode während des zweiten Teils des Einschaltzeitraums und am Ende der Taktperiode während des ersten Teils des Einschaltzeitraums.
  • Eine derartige Teilung des Einschaltzeitraums kann mehrfach erfolgen, wenn die Summe der Einschaltzeiten der LED, die nicht während der gesamten Taktperiode eingeschaltet werden, ein Vielfaches einer Taktperiode ist.
  • Entsprechend kann auch bei der zweiten Variante der Erfindung der Einschaltzeitraum einer oder mehrerer LEDs geteilt werden, falls die Zeit zwischen dem Ausschaltzeitpunkt der ersten LED und dem Beginn der Taktperiode kleiner ist als die Summe der Einschaltzeiten der LEDs, die nicht während der gesamten Taktperiode eingeschaltet werden.
  • Die erfindungsgemäßen Verfahren können mit einem dazu eingerichteten Steuermittel nach Anspruch 9 durchgeführt werden.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 Schematisch die Verläufe von pulsweitenmodulierten Strömen durch vier LEDs eines LED-Feldes,
    • 2 schematisch den Verlauf der gesamten Stromaufnahme der vier LEDs bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik und
    • 3 schematisch den Verlauf der gesamten Stromaufnahme der vier LEDs bei einem Verfahren nach der ersten Variante der Erfindung.
  • In den 1 bis 3 ist anhand des Beispiels von vier LEDs eines LED-Feldes näher dargestellt. Das LED-Feld kann mehr als diese vier LEDs aufweisen. Das LED-Feld kann insbesondere mehrere Tausend LED aufweisen. Die Erfindung lässt sich aber schon anhand von nur vier LEDs eines solchen LED-Feldes erläutern.
  • Die LEDs werden mit einem pulsweitenmodulierten Strom I1 , I2 , I3 , 14 versorgt, damit die LEDs mit unterschiedlichen Helligkeiten leuchten. Mit den in den 1a, 1b, 1c und 1d dargestellten Stromverläufen von pulsweitenmodulierten Strömen I1 , I2 , I3 , I4 können unterschiedliche Helligkeiten der LED eingestellt werden. In jedem Stromverlauf wechseln sich Stromimpulse während der Einschaltzeiten Te1 , Te2 , Te3 , Te4 und Ausschaltzeiten ab. Die Stromimpulse führen zu einem kurzen Aufleuchten der LED. Die pulsweitenmodulierten Ströme I1 , I2 , I3 , I4 sind so getaktet, dass die Pausen zwischen dem kurzen Aufleuchten der LEDs von den menschlichen Augen nicht wahrgenommen werden. Je länger die Pause zwischen dem Aufleuchten ist, um so dunkler wird eine LED allerdings wahrgenommen.
  • Dementsprechend wird die durch den in der 1a dargestellten pulsweitenmodulierten Strom I1 versorgte LED von einem menschlichen Betrachter dunkler wahrgenommen als die durch den in der 1d dargestellten pulsweitenmodulierten Strom I4 versorgte LED. Das führt auch dazu, dass von diesen LEDs beleuchtete Bereiche vom Betrachter als wenig und stark beleuchtet wahrgenommen werden.
  • Die in den 1b und 1c dargestellten Stromverläufe führen zu Helligkeiten, die zwischen den durch die Stromverläufe I1 , I4 gemäß 1a und 1d bewirkten Helligkeiten führen.
  • Haben die pulsweitenmodulierten Ströme I1 , I2 , I3 , I4 zur Versorgung der LEDs eines LED-Feldes einen synchronen Takt und beginnen die Stromimpulse, wie es bei der Pulsweitenmodulation üblich ist, am Anfang eines Taktes, führt dies bei den Stromverläufen aus der 1 zu einem Gesamtstrom Ig der vier LEDs, der in der 2 dargestellt ist. Der Gesamtstrom Ig ergibt sich aus der Addition der Ströme I1 , I2 , I3 , I4 zur Versorgung der einzelnen LEDs.
  • Der Stromverlauf des Gesamtstroms Ig hat während eines Taktes mehrere Sprünge, an denen der Strom absinkt, und zum Beginn oder Ende des Taktes einen großen Sprung, an dem der Strom auf ein Maximum ansteigt.
  • Jeder Sprung hat eine Auswirkung auf die EMV. Außerdem wird durch das Maximum des Gesamtstroms Ig zu Beginn jeder Taktperiode eine Stromquelle, die die LEDs versorgt, stark belastet.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Anzahl der Sprünge deutlich reduziert werden und das Maximum des Gesamtstroms Ig kann deutlich reduziert werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren der Variante 1 ergibt sich ein Stromverlauf des Gesamtstroms Ig , wie in der 3 dargestellt ist. In diesem Stromverlauf ergeben sich zwei Sprünge, nämlich ein Abwärtssprung und ein Aufwärtssprung um jeweils den gleichen Betrag. Das Maximum des Gesamtstroms Ig ist im Beispiel um ein Viertel reduziert.
  • Stellt man sich nun anstelle des Beispiels mit vier LEDs eines LED-Feldes ein Beispiel mit mehreren Tausend LEDs eines LED-Feldes vor, kann man sich gut vorstellen, dass sowohl die Anzahl der Sprünge, als auch die Sprunghöhe und das Maximum des Gesamtstroms Ig noch deutlicher reduziert werden kann, was zu einer Verbesserung der EMV und einer geringeren Belastung der Stromversorgung führt.
  • Die Erfindung wird dadurch umgesetzt, dass die LEDs, die nicht während einer gesamten Taktperiode eingeschaltet werden, deren Einschaltzeitraum also kürzer ist als die Taktperiode, nicht gleichzeitig zu Beginn der Taktperiode eingeschaltet werden. Diese LEDs werden stattdessen möglichst nacheinander eingeschaltet. Dazu wird eine erste LED, in dem Fall die LED mit dem Stromverlauf I3 gemäß 1c zu Beginn der Taktperiode eingeschaltet. Der Einschaltzeitpunkt dieser LED wird also auf den Beginn der Taktperiode gelegt. Der Einschaltzeitpunkt der nächsten LED wird dann auf einen Ausschaltzeitpunkt dieser ersten LED am Ende des Einschaltzeitraums gelegt.
  • Da der Zeitraum zwischen dem Einschaltzeitpunkt dieser zweiten LED und dem Ende der Taktperiode kleiner ist als der Einschaltzeitraum der zweiten LED, wird der Einschaltzeitraum in zwei Teile geteilt: Ein erster Teil beginnt mit dem Einschaltzeitpunkt der zweiten LED und endet mit dem Ende der Taktperiode. Ein zweiter Teil beginnt mit dem Beginn der Taktperiode und endet am Ausschaltzeitpunkt am Ende des Ausschaltzeitraums der zweiten Taktperiode. Die beiden Teile zusammen ergeben den Einschaltzeitraum der zweiten LED.
  • Dadurch, dass der erste Teil am Ende einer Taktperiode und der zweite Teil am Anfang einer Taktperiode liegt, kommt es übrigens nicht dazu, dass die zweite LED öfter ein- oder ausgeschaltet wird, als bei dem herkömmlichen Verfahren. Der erste Teil am Ende einer Taktperiode und der zweite Teil am Anfang einer darauf unmittelbar folgenden Taktperiode gehen in einander über, so dass die zweite LED am Ende einer Taktperiode nicht aus und am Anfang einer Taktperiode nicht eingeschaltet werden muss.
  • Der Einschaltzeitraum der dritten LED (1a) wird dann an den Einschaltzeitraum der zweiten LED angeschlossen. Da der Zeitraum zwischen dem Ausschaltzeitpunkt der zweiten LED und dem Ende der Taktperiode größer ist als der Einschaltzeitraum der dritten LED ist eine Teilung des Einschaltzeitraums der dritten LED nicht notwendig.
  • Bezugszeichenliste
    • I
    Strom
    t
    Zeit
    Imax
    maximaler Strom
    I1
    pulsweitenmodulierter Strom zur Versorgung der ersten LED
    I2
    pulsweitenmodulierter Strom zur Versorgung der zweiten LED
    I3
    pulsweitenmodulierter Strom zur Versorgung der dritten LED
    I4
    pulsweitenmodulierter Strom zur Versorgung der vierten LED
    Ig
    Gesamtstrom
    T
    Taktperiode

Claims (9)

  1. Verfahren zur Reduzierung des Maximums des von einer LED-Matrix aus einer Stromquelle aufgenommenen Stroms, wobei jede LED der LED-Matrix einen pulsweitenmodulierten Strom aus der Stromquelle aufnimmt, wobei jeder LED in einer Taktperiode des pulsweitenmodulierten Stroms ein Einschaltzeitraum zugeordnet ist, in welcher ein Strom durch die LED fließt, und/oder ein Ausschaltzeitraum zugeordnet ist, in welcher kein Strom durch die LED fließt, wobei der Einschaltzeitraum und der Ausschaltzeitraum genau so lang wie die Taktperiode oder kürzer sein können, und in dem Fall, dass der einer der LED zugeordnete Einschaltzeitraum und der dieser LED zugeordnete Ausschaltzeitraum kürzer als eine Taktperiode sind, der Einschaltzeitraum an einem Einschaltzeitpunkt beginnt und an einem Ausschaltzeitpunkt endet und der Ausschaltzeitraum an dem Ausschaltzeitpunkt beginnt und an dem Einschaltzeitpunkt endet, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschaltzeitpunkt des Einschaltzeitraums, der einer ersten der LEDs zugeordnet ist, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, auf einen Zeitpunkt in der Taktperiode festgelegt wird, und dass die Einschaltzeitpunkte der Einschaltzeiträume, die den anderen der LEDs zugeordnet sind, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, auf einen der Ausschaltzeitpunkte eines Einschaltzeitraums genau einer anderen LED festgelegt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschaltzeitpunkt der ersten LED auf den Beginn der Taktperiode festgelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sobald bei der Festlegung der Einschaltzeitpunkte der Einschaltzeiträume einer LED, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, die Zeitdauer zwischen dem Einschaltzeitpunkt und dem Ende der Taktperiode kleiner ist als der Einschaltzeitraum, der Einschaltzeitraum innerhalb der Taktperiode aufgeteilt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung derart vorgenommen wird, dass ein erster Teil des Einschaltzeitraums vom Einschaltzeitpunkt bis zum Ende der Taktperiode reicht und ein zweiter Teil vom Anfang der Taktperiode bis zum Ausschaltzeitpunkt.
  5. Verfahren zur Reduzierung des Maximums des von einer LED-Matrix aus einer Stromquelle aufgenommenen Stroms, wobei jede LED der LED-Matrix einen pulsweitenmodulierten Strom aus der Stromquelle aufnimmt, wobei jeder LED in einer Taktperiode des pulsweitenmodulierten Stroms ein Einschaltzeitraum zugeordnet ist, in welchem ein Strom durch die LED fließt, und/oder ein Ausschaltzeitraum zugeordnet ist, in welchem kein Strom durch die LED fließt, wobei der Einschaltzeitraum und der Ausschaltzeitraum genau so lang wie die Taktperiode oder kürzer sein können, und in dem Fall, dass der einer der LED zugeordnete Einschaltzeitraum und der dieser LED zugeordnete Ausschaltzeitraum kürzer als eine Taktperiode sind, der Einschaltzeitraum an einem Einschaltzeitpunkt beginnt und an einem Ausschaltzeitpunkt endet und der Ausschaltzeitraum an dem Ausschaltzeitpunkt beginnt und an dem Einschaltzeitpunkt endet, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschaltzeitpunkt des Einschaltzeitraums, der einer ersten der LEDs zugeordnet ist, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, auf einen Zeitpunkt in der Taktperiode festgelegt wird, und dass die Ausschaltzeitpunkte der Einschaltzeiträume, die den anderen der LEDs zugeordnet sind, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, auf einen der Einschaltzeitpunkte eines Einschaltzeitraums genau einer anderen LED festgelegt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschaltzeitpunkt der ersten LED auf das Ende der Taktperiode festgelegt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sobald bei der Festlegung der Ausschaltzeitpunkte der Einschaltzeiträume einer LED, deren Einschaltzeitraum kürzer ist als die Taktperiode, die Zeitdauer zwischen dem Ausschaltzeitpunkt und dem Beginn der Taktperiode kleiner ist als der Einschaltzeitraum, der Einschaltzeitraum innerhalb der Taktperiode aufgeteilt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung derart vorgenommen wird, dass ein erster Teil des Einschaltzeitraums vom Ausschaltzeitpunkt bis zum Beginn der Taktperiode reicht und ein zweiter Teil vom Ende der Taktperiode bis zum Einschaltzeitpunkt.
  9. Steuermittel zur Steuerung von LEDs eines LED-Felds, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 geeignet und eingerichtet ist.
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