DE102019115817A1

DE102019115817A1 - Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung, Verfahren zum Charakterisieren einer Leuchtdiode und Leuchtdiodenanordnung

Info

Publication number: DE102019115817A1
Application number: DE102019115817.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Binder; Holger Specht; Maximilian Tauer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2020-12-17
Also published as: WO2020249469A1; US11985740B2; US20220256664A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung (1) mit zumindest einer Leuchtdiode (2) mit den Schritten angegeben:a) Bestimmung von zumindest einem aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaar;b) Abgleichen des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars mit einem ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaar; undc) Ermitteln einer aktualisierten Bestromung anhand des Abgleichs und Ansteuern der Leuchtdiode mit der aktualisierten Bestromung.Weiterhin werden eine Leuchtdiodenanordnung und ein Verfahren zum Charakterisieren von Leuchtdioden angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung, ein Verfahren zum Charakterisieren einer Leuchtdiode und eine Leuchtdiodenanordnung.
Die optische Charakterisierung von Leuchtdioden ist oftmals sehr zeitaufwendig oder technisch schwer zu realisieren, insbesondere wenn eine Leuchtdiodenanordnung, wie beispielsweise eine Anzeigevorrichtung eine Vielzahl von Leuchtdioden aufweist. Insbesondere ist es nicht ohne weiteres möglich, die Leuchtdioden im Betrieb der Leuchtdiodenanordnung im Hinblick auf ihr Alterungsverhalten und die damit einhergehende Änderung der abgestrahlten Lichtleistung zu überwachen. Derartige Alterungseffekte können sich direkt in einer fehlerhaften Farbansteuerung beziehungsweise Farbwiedergabe oder auch Helligkeitsregelung niederschlagen.
Eine Aufgabe ist es, die Charakterisierung und/oder die Alterung von Leuchtdioden im Hinblick auf ihre Effizienz der Lichterzeugung auf einfache und zuverlässige Weise zu erhalten.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch die Verfahren und eine Leuchtdiodenanordnung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Es werden ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung und eine Leuchtdiodenanordnung angegeben. Die Leuchtdiodenanordnung ist für einen Betrieb gemäß dem beschriebenen Verfahren besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem Verfahren angegebene Merkmale können daher auch für die Leuchtdiodenanordnung herangezogen werden und umgekehrt.
Nachfolgend im Zusammenhang mit zumindest einer Ausführungsform oder einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens und/oder einer Ausführungsform oder einem Ausführungsbeispiel der Leuchtdiodenanordnung angeführte Merkmale sind auch mit anderen Merkmalen, die im Zusammenhang mit zumindest einer Ausführungsform oder einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens und/oder der Leuchtdiodenanordnung beschrieben sind, kombinierbar, solange sich diese nicht ausschließen oder explizit anderes angegeben ist.
Die Leuchtdiodenanordnung mit zumindest einer Leuchtdiode wird beispielsweise mit einer aktuellen Bestromung angesteuert. Beispielsweise ist die aktuelle Bestromung diejenige Bestromung, bei dem die Leuchtdiode dazu eingerichtet ist, eine vorgegebene Lichtintensität abzustrahlen. Beispielsweise ist die Leuchtdiode dazu eingerichtet, in mehreren Dimmstufen betrieben zu werden, wobei für jede Dimmstufe eine aktuelle Bestromung für die Leuchtdiode vorgesehen ist.
Die Bestromung ist insbesondere mittels einer Änderung der Stromstärke und/oder mittels einer Pulsweitenmodulation einstellbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem zumindest ein aktuelles Strom-Spannungs-Wertepaar der Leuchtdiode ermittelt wird. Dieses Strom-Spannungs-Wertepaar ist Teil der aktuellen Strom-Spannungs-Kennlinie der Leuchtdiode. Beispielsweise wird eine bestimmte vordefinierte Spannung angelegt und der zugehörige Strom gemessen oder umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem das aktuelle Strom-Spannungs-Wertepaar mit einem ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaar abgeglichen wird. Das ursprüngliche Strom-Spannungs-Wertepaar ist beispielsweise in einem Speicher der Leuchtdiodenanordnung hinterlegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine aktualisierte Bestromung anhand des Abgleichs ermittelt und die Leuchtdiode wird mit der aktualisierten Bestromung angesteuert.
Mittels der Änderung der aktualisierten Bestromung im Vergleich zur zuvor aktuellen Bestromung können Veränderungen der Leuchtdiode und damit eine einhergehende veränderte Effizienz der Strahlungserzeugung kompensiert werden. Insbesondere kann die aktualisierte Bestromung allein durch eine rein elektrische Charakterisierung der Leuchtdiode ermittelt werden. Auf eine Messung der von der Leuchtdiode abgestrahlten Lichtleistung kann verzichtet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Alterung der Leuchtdiode durch die Ermittlung der aktualisierten Bestromung zumindest teilweise kompensiert. Mit anderen Worten wird die aktualisierte Bestromung so ermittelt, dass beim Betrieb mit der aktualisierten Bestromung von der Leuchtdiode eine Lichtleistung abgestrahlt wird, welche zumindest näherungsweise einer ursprünglichen Lichtleistung der Leuchtdiode bei einer ursprünglichen Bestromung entspricht. Diese Berücksichtigung der Alterung erfolgt nicht mittels einer hinterlegten erwarteten, typischen Alterungskurve, sondern anhand einer konkreten Bestimmung des Strom-Spannungs-Wertepaars. Die Zuverlässigkeit des Verfahrens erfordert also nicht, dass die Alterung der Leuchtdiode einem zuvor festgelegten Schema folgt.
Beispielsweise erfolgt die Aktualisierung der Bestromung nach einer vorgegebenen Betriebsdauer oder in vorgegebenen Betriebsintervallen. Alternativ oder ergänzend kann die Aktualisierung der Bestromung auch zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgelöst werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Leuchtdiodenanordnung zumindest eine weitere Leuchtdiode auf, wobei für die weitere Leuchtdiode anhand von einem individuell ermittelten aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaar eine aktualisierte Bestromung ermittelt wird.
Bei einer Leuchtdiodenanordnung mit mehreren Leuchtdioden kann also für mehrere Leuchtdioden und insbesondere auch für jede Leuchtdiode individuell eine aktualisierte Bestromung anhand einer konkreten Messung an der jeweiligen Leuchtdiode ermittelt werden.
Mit anderen Worten ist das Alterungsverhalten der einzelnen Leuchtdioden der Leuchtdiodenanordnung individuell durch eine rein elektrische Messung bestimmbar und kann nachfolgend über eine Aktualisierung der jeweiligen Bestromung kompensiert oder zumindest teilweise kompensiert werden. Dadurch kann das Verfahren auch eine zuverlässige Kompensation von Alterungseffekten erzielen, wenn die Leuchtdioden der Leuchtdiodenanordnung ein unterschiedliches Alterungsverhalten zeigen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens liegt ein Strom beim Ermitteln der aktuellen Betriebsspannung im Kleinstrombereich der Leuchtdiode. Insbesondere liegt eine Stromdichte zwischen einschließlich 0,01 A/cm² und einschließlich 10 A/cm², beispielsweise zwischen einschließlich 0,02 A/cm² und 2 A/cm². In diesem Bereich der Betriebsstromdichte hängt die Effizienz einer Leuchtdiode stark von der Materialqualität ab. Alterungseffekte sind in diesem Strombereich besonders ausgeprägt. Diese können beispielsweise bei Anzeigevorrichtungen zu einer fehlerhaften Farbansteuerung beziehungsweise Farbwiedergabe führen. Diesem Effekt kann mit dem beschriebenen Verfahren entgegengewirkt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Leuchtdiodenanordnung zum Betrieb der Leuchtdiode mit einer Mehrzahl von Dimmstufen eingerichtet, wobei für jede Dimmstufe eine zugehörige aktualisierte Bestromung ermittelt wird. Das Verfahren berücksichtigt also, dass sich beispielsweise Alterungseffekte für verschiedene Bestromungen unterschiedlich stark auswirken. Es erfolgt also keine prozentual gleich starke Erhöhung der Bestromung für alle Dimmstufen. Vielmehr wird die erforderliche Bestromung für die einzelnen Dimmstufen separat aktualisiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird anhand der Abweichung zwischen dem aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaar und dem ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaar eine aktualisierte Effizienz der Leuchtdiode für verschiedene Dimmstufen ermittelt. Mit anderen Worten wird die Messung der Spannung bei einem Strom oder umgekehrt dazu verwendet, um anhand der aktualisierten Effizienz eine Anpassung der Bestromung für verschiedene Dimmstufen zu erhalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird für die Ermittlung der aktualisierten Effizienz der Leuchtdiode ein Ersatzschaltbild zugrunde gelegt, bei dem eine ideale strahlende Diode von einer parasitären nichtstrahlenden Diode mit einem Vorwiderstand überbrückt ist. Die ideale strahlende Diode und die nichtstrahlende Diode sind also elektrisch parallel zueinander verschaltet. Bei diesem Ersatzschaltbild bestimmt der Vorwiderstand der parasitären nichtstrahlenden Diode denjenigen Anteil, der über den Zweig der nichtstrahlenden Diode fließt. Je niedriger also der Vorwiderstand ist, desto größer ist derjenige Anteil des Stroms, der über die nichtstrahlende Diode fließt und folglich keinen Beitrag zur Lichterzeugung liefert. Es hat sich gezeigt, dass das Alterungsverhalten einer Leuchtdiode bei Zugrundelegung dieses Ersatzschaltbilds im Wesentlichen allein durch eine Änderung des Vorwiderstands charakterisiert werden kann. Die Veränderung der weiteren Parameter, beispielsweise der Idealitätsfaktor der nichtstrahlenden Diode, kann vernachlässigt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird anhand des zumindest einen aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars ein aktualisierter Vorwiderstand ermittelt und die aktualisierte Bestromung wird basierend auf den aktualisierten Vorwiderstand ermittelt. Insbesondere kann die aktualisierte Bestromung für mehrere oder insbesondere auch für alle Dimmstufen ermittelt werden. Mit anderen Worten kann anhand einer Betriebsspannung bei einem vorgegebenen Betriebsstrom oder analog anhand eines Betriebsstroms bei einer vorgegebenen Betriebsspannung, insbesondere im Kleinstrombereich, der aktualisierte Vorwiderstand ermittelt werden. Dieser Vorwiderstand reicht aus, um für mehrere oder alle Dimmstufen die entsprechende Aktualisierung der Bestromung vorzunehmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird für mehrere Dimmstufen jeweils eine entsprechend aktualisierte Bestromung für die Dimmstufe anhand des jeweils zugehörigen aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars ermittelt. In diesem Fall kann auf die Bestimmung des Vorwiderstands basierend auf dem erwähnten Ersatzschaltbild verzichtet werden. Beispielsweise sind hierfür in einem Speicher für die jeweiligen Dimmstufen jeweils die ursprünglichen Betriebsspannungen mit den zugehörigen Betriebsströmen, also die ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaare hinterlegt.
Die Leuchtdiodenanordnung weist gemäß zumindest einer Ausführungsform eine Leuchtdiode und eine Ansteuerschaltung auf, wobei die Leuchtdiodenanordnung dazu eingerichtet ist, ein aktuelles Strom-Spannungs-Wertepaar der Leuchtdiode zu ermitteln und anhand des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars eine aktualisierte Bestromung für die Leuchtdiode zu ermitteln.
Anhand des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars kann also ermittelt werden, wie die Bestromung aktualisiert werden muss, um ein geändertes Verhalten der Leuchtdiode, beispielsweise aufgrund von Alterungseffekten zu kompensieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung ist die Leuchtdiodenanordnung eine Anzeigevorrichtung mit einer Vielzahl von Leuchtdioden. Die Leuchtdiodenanordnung ist beispielsweise dazu eingerichtet, für die Leuchtdioden jeweils ein aktuelles Strom-Spannungs-Wertepaar zu ermitteln und anhand der jeweiligen aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaare eine aktualisierte Bestromung für die Leuchtdioden zu ermitteln. Die Leuchtdiodenanordnung ist also dazu eingerichtet, für verschiedene Leuchtdioden jeweils anhand konkreter individueller Messungen eine aktualisierte Bestromung für die Leuchtdioden zu ermitteln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung weist die Leuchtdiodenanordnung einen Speicher auf, in dem für die Leuchtdiode charakteristische Werte für ihre ursprüngliche Strom-Spannungs-Kennlinie hinterlegt sind. Beispielsweise basieren die charakteristischen Werte auf einem Ersatzschaltbild, bei dem eine ideale strahlende Diode von einer parasitären nichtstrahlenden Diode mit einem Vorwiderstand überbrückt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung weist die Leuchtdiodenanordnung einen Speicher auf, in dem für die Leuchtdiode eine Mehrzahl von ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaaren hinterlegt ist. Anhand dieser ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaare können durch Messung des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars Alterungseffekte erkannt und entsprechend kompensiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung ist die Leuchtdiodenanordnung anhand einer ursprünglichen Strom-Spannungs-Eigenschaft kalibrierbar. Die ursprüngliche Strom-Spannungs-Eigenschaft sind beispielsweise ein oder mehrere Strom-Spannungs-Wertepaare oder der charakteristische Wert für ihre ursprüngliche Strom-Spannungs-Kennlinie. Die ursprüngliche Strom-Spannungs-Charakteristik kann zur Kalibrierung herangezogen werden, beispielsweise zur Helligkeitskorrektur. Dies kann vor der Auslieferung der Leuchtdiodenanordnung oder auch im Betrieb, insbesondere vor der Alterung der Leuchtdiodenanordnung erfolgen.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Charakterisieren einer Leuchtdiode im Hinblick auf ihre interne Effizienz der Lichterzeugung angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Charakterisieren einer Leuchtdiode werden Strom-Spannungs-Wertepaare für die Leuchtdiode ermittelt. Die Strom-Spannungs-Wertepaare werden basierend auf einem Ersatzschaltbild angenähert, bei dem eine ideale strahlende Diode von einer parasitären nichtstrahlenden Diode mit einem Vorwiderstand überbrückt ist. Der Vorwiderstand wird mit einem charakteristischen Vorwiderstand für die Leuchtdiode abgeglichen.
Mit dem beschriebenen Verfahren können beispielsweise für einen bekannten Typ von Leuchtdioden rein elektrische Messungen von Betriebsstrom und zugehöriger Betriebsspannung dazu verwendet werden, um Informationen über die interne Effizienz der Lichterzeugung, insbesondere über die interne Quanteneffizienz zu erhalten. Anstelle von aufwendigen optischen Charakterisierungen der Leuchtdioden kann bei der Herstellung eine rein elektrische Messung durchgeführt werden, um diese im Hinblick auf ihre Effizienz zu überprüfen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Leuchtdiode ausselektiert, wenn eine Abweichung des Vorwiderstands vom charakteristischen Vorwiderstand einen vorgegebenen Toleranzwert übersteigt. Der vorgegebene Toleranzwert ist beispielsweise eine absolute Abweichung oder eine prozentuale Abweichung.
Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung in schematischer Darstellung;
2 ein Ausführungsbeispiel für eine Leuchtdiodenanordnung in schematischer Darstellung;
3A Messergebnisse eines Lichtstroms in beliebigen Einheiten (linke Skala, logarithmisch) und der internen Quanteneffizienz in beliebigen Einheiten (rechte Skala) in Abhängigkeit von der Stromdichte I/(A/cm²) für eine Leuchtdiode, wobei die unterschiedlichen Messkurven zu Betriebszeiten zwischen 0 Stunden und 600 Stunden aufgenommen wurden;
3B Messungen der Änderung des Lichtstroms in Abhängigkeit von der Betriebsdauer nominiert auf den Lichtstrom zum Zeitpunkt t = 0 für verschiedene Leuchtdioden;
4A ein Ersatzschaltbild für eine Leuchtdiode;
4B eine Messung der Spannung in Abhängigkeit von der Stromdichte I/(A/cm²) einer Leuchtdiode (Messwerte in Rauten) mit einer zugehörigen Anpassungsfunktion (durchgezogene Linie) sowie Kurven einer Strom-Spannungscharakteristik der nichtstrahlenden Diode gemäß dem Ersatzschaltbild der 4A für verschiedene Vorwiderstände als gepunktete Linien;
4C eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs der 4B;
4D eine relative Änderung des Lichtstroms in Abhängigkeit von einer relativen Änderung des Vorwiderstands für verschiedene Leuchtdioden, jeweils normiert auf den Lichtstrom sowie Vorwiderstand zum Zeitpunkt t = 0;
4E Messungen eines Lichtstroms in beliebigen Einheiten für verschiedene Leuchtdioden als Funktion des Verhältnisses e*U/EPh, wobei e die Elementarladung, U die Betriebsspannung und EPh die jeweilige Photonenenergie der erzeugten Strahlung sind;
5 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung; und
6 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Charakterisierung einer Leuchtdiode.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Leuchtdiode einer Leuchtdiodenanordnung mit einer aktuellen Bestromung der Leuchtdiode angesteuert(veranschaulicht durch Schritt S11).
Für das Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein aktuelles Strom-Spannungs-Wertepaar ermittelt. Hierfür wird zu einem vorgegebenen Strom die zugehörige Spannung gemessen. Alternativ kann zu einer vorgegebenen Spannung der zugehörige Strom gemessen werden. Der bei der Ermittlung des Strom-Spannungs-Wertepaars anliegende Strom kann, muss jedoch nicht zwingend bei einer für den Betrieb der Leuchtdiodenanordnung typischen Stromstärke liegen (Schritt S12). Abhängig von der Sensitivität der Messung kann es vielmehr zweckmäßig sein, die Messung in einem Bereich durchzuführen, der für den eigentlichen Betrieb der Leuchtdiodenanordnung nicht typisch ist.
Das aktuelle Strom-Spannungs-Wertepaar wird mit einem ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaar abgeglichen (Schritt S13). Eine aktualisierte Bestromung wird anhand des Abgleichs ermittelt, sodass die Leuchtdiode mit der aktualisierten Bestromung weiter angesteuert werden kann (Schritt S14). Beispielsweise unterscheidet sich die aktualisierte Bestromung von der aktuellen Bestromung durch eine geänderte Stromstärke und/oder eine geänderte Pulsweitenmodulation.
Das Verfahren eignet sich insbesondere, um eine Alterung der Leuchtdiode durch die Ermittlung der aktualisierten Bestromung zumindest teilweise zu kompensieren.
In 3A ist dargestellt, wie sich der Lichtstrom Φ und die interne Quanteneffizienz IQE für eine Leuchtdiode über einen Betriebszeitraum von 600 Stunden ändern. Die Kurven zeigen insbesondere, dass bei vergleichsweise kleinen Strömen, etwa bei Stromdichten zwischen einschließlich 1×10^-4 A/mm² und einschließlich 0,01 A/mm², Alterungseffekte auftreten. Bei größeren Stromdichten ändern sich der Lichtstrom und die interne Quanteneffizienz dagegen nur wenig.
In 3B ist die Änderung des Lichtstroms für verschiedene Leuchtdioden in Abhängigkeit von der Betriebsdauer t in Stunden dargestellt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass sich sogar das qualitative Alterungsverhalten für verschiedene Leuchtdioden unterscheidet. So zeigen beispielsweise einige Leuchtdioden einen kontinuierlichen Rückgang der Lichtleistung über die Zeit, während bei anderen Leuchtdioden zwischenzeitlich der Lichtstrom sogar zunimmt.
Es ist daher nicht ohne weiteres möglich, für eine Leuchtdiodenanordnung eine typische Alterungskurve zu hinterlegen und anhand der bereits absolvierten Betriebsdauer den Betriebsstrom so anzupassen, dass die Lichtleistung konstant bleibt.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Kompensation der Alterung anhand einer konkreten Messung von Strom und zugehöriger Spannung erfolgen.
Das beschriebene Verfahren eignet sich generell für die Ansteuerung von Leuchtdiodenanordnungen, bei denen eine alterungsbedingte Effizienzänderung der Leuchtdioden zu einer signifikanten Änderung der charakteristischen Eigenschaften der Abstrahlung führt. Dies ist insbesondere für Leuchtdiodenanordnungen der Fall, welche Leuchtdioden aufweisen, die in unterschiedlichen Spektralbereichen emittieren. Beispielsweise sind die Leuchtdiodenanordnungen Teil eines Farbmischsystems oder eines Displays.
Für das Ermitteln der aktualisierten Bestromung kann ein Ersatzschaltbild 5 für die Leuchtdiode herangezogen werden, wie es in 4A dargestellt ist. Hierbei ist eine ideale lichtemittierende Diode DR von einer parasitären nichtstrahlenden Diode DNR mit einem Vorwiderstand RP überbrückt. Das Ersatzschaltbild 5 zeigt weiterhin einen seriellen Widerstand RS. RS bildet die kumulativen Serienwiderstände der Leuchtdiode ab. RS ist jedoch für die Alterung der Leuchtdiode nur von untergeordneter Bedeutung.
Die ideale Leuchtdiode DR repräsentiert also eine idealisierte Leuchtdiode ohne nichtstrahlende Defektassistierte Rekombination, also mit einer internen Effizienz der Lichterzeugung im Kleinstrombereich von 100 %. Der Idealitätsfaktor dieser Leuchtdiode beträgt 1.
Die nichtstrahlende Diode DNR repräsentiert im Unterschied hierzu insbesondere den Tunnelstrom ohne Lichtemission bei sehr kleinen Strömen. Der Idealitätsfaktor der parasitären nichtstrahlenden Diode DNR ist größer als 1 und liegt beispielsweise zwischen einschließlich 2 und einschließlich 7.
Nach diesem Modell ist die Kleinstromeffizienz einer Leuchtdiode direkt proportional zum relativen Stromfluss durch die strahlende Diode DR.
Basierend auf diesem Ersatzschaltbild kann eine Anpassung an eine reale Strom-Spannungscharakteristik erfolgen. Dies ist in 4B dargestellt. In 4B sind weiterhin Kurven für den Zweig der nichtstrahlenden Diode DNR mit Vorwiderständen RP von 5000 Ω, 220 Ω und 0 Ω eingetragen. Hieraus wird deutlich, dass der Vorwiderstand RP den Übergang von einem überwiegenden Stromfluss durch die nichtstrahlende Diode DNR zu einem überwiegenden Stromfluss durch die strahlende Diode DR bestimmt. Je höher der Vorwiderstand RP ist, desto früher findet dieser Übergang statt. Der Idealitätsfaktor der parasitären nichtstrahlenden Diode DNR ist 2,7.
Aus der 4D ist ersichtlich, dass die relative Änderung des Lichtstroms ΔΦ, nominiert auf den Zeitpunkt t = 0 unmittelbar mit einer relativen Änderung des Widerstands ΔRP, ebenfalls nominiert auf den Zeitpunkt t = 0 einhergeht.
Bei einer Beschreibung einer Leuchtdiode mit dem in 4A gezeigten Ersatzschaltbild 5 kann die Alterung also unmittelbar durch eine Änderung des Vorwiderstands RP beschrieben werden, wobei sich die übrigen Parameter, insbesondere die Idealitätsfaktoren der Dioden nicht ändern.
Durch Abgleich eines gemessenen Spannungswerts bei einem bestimmten Betriebsstrom im Kleinstrombereich mit der ursprünglichen Spannung bei diesem Betriebsstrom kann also auf den Vorwiderstand RP geschlossen werden. Der Vorwiderstand RP liefert damit ein Maß für die Effizienz der Leuchtdiode und insbesondere auch für die alterungsbedingte Änderung der Effizienz. Anhand des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars kann also eine aktualisierte Effizienz der Leuchtdiode bestimmt werden.
Aus der 4E, in der der Lichtstrom Φ in Bezug auf das Verhältnis von Elementarladung e multipliziert mit der Betriebsspannung U zur Photonenenergie EPh des erzeugten Lichts dargestellt ist, wird weiterhin deutlich, dass die Alterung direkt aus der Spannungsänderung ausgelesen und mit einer entsprechenden Anpassung der Bestromung kompensiert werden kann. Über die Photonenenergie EPh kann berücksichtigt werden, dass die vermessenen Leuchtdioden Strahlung mit unterschiedlichen Peak-Wellenlängen abstrahlen.
Insbesondere kann über den gesamten Betriebsbereich der Leuchtdiode geschlossen werden, wie die Bestromung für verschiedene Dimmstufen angepasst werden muss, um Alterungseffekte zu kompensieren.
Zweckmäßigerweise wird die Messung des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars bei einem Betriebsstrom im Kleinstrombereich der Leuchtdiode durchgeführt.
Beim Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung mit mehreren Leuchtdioden kann das beschriebene Verfahren für mehrere Leuchtdioden, insbesondere für alle Leuchtdioden individuell durchgeführt werden, sodass für jede Leuchtdiode eine aktualisierte Bestromung ermittelt werden kann.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung gezeigt. Hierbei entsprechen die Schritte S21 und S22 den im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Schritten S11 und S12. Im Unterschied zum im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Verfahren werden mehrere aktuelle Strom-Spannungs-Wertepaare ermittelt. Die verschiedenen Betriebsströme entsprechen hierbei unterschiedlichen Dimmstufen der Leuchtdiodenanordnung.
Im Schritt S23 erfolgt ein Abgleichen der aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaare mit den hinterlegten entsprechenden ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaaren. Hieraus wird für die Dimmstufen jeweils eine entsprechend aktualisierte Bestromung anhand des jeweils zugehörigen aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars ermittelt werden (Schritt S24).
Im Unterschied zu dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist also die Messung von mehreren Strom-Spannungs-Wertepaaren erforderlich. Auf eine Bestimmung einer aktualisierten Effizienz der Leuchtdiode basierend auf dem in 4A dargestellten Ersatzschaltbild kann in diesem Fall verzichtet werden.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Leuchtdiodenanordnung gezeigt, welche für die beschriebenen Betriebsverfahren besonders geeignet ist. Die Leuchtdiodenanordnung 1 weist eine Mehrzahl von Leuchtdioden 2 und eine Ansteuerschaltung 3 auf. Die Leuchtdiodenanordnung ist dazu eingerichtet, zumindest ein aktuelles Strom-Spannungs-Wertepaar der Leuchtdiode zu ermitteln und anhand des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars eine aktualisierte Bestromung für die Leuchtdioden zu ermitteln.
Dies kann wie im Zusammenhang mit dem beschriebenen Betriebsverfahren erläutert erfolgen. Die Leuchtdioden 2 sind beispielsweise matrixförmig angeordnet. Beispielsweise weist die Leuchtdiodenanordnung verschiedene Typen von Leuchtdioden auf, welche zur Erzeugung von Strahlung in voneinander verschiedenen Spektralbereichen vorgesehen sind, etwa zur Erzeugung von Strahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich. Zur vereinfachten Darstellung ist lediglich ein Ausschnitt mit acht Leuchtdioden gezeigt, wobei eine der Leuchtdioden 2 zur vereinfachten Bezugnahme als weitere Leuchtdiode 2B gekennzeichnet ist.
Insbesondere ist die Leuchtdiodenanordnung 1 dazu eingerichtet, für die Leuchtdioden 2 jeweils zumindest ein aktuelles Strom-Spannungs-Wertepaar Betriebsspannung zu ermitteln und anhand des jeweiligen aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars eine aktualisierte Bestromung für die Leuchtdioden zu ermitteln.
Aus der Änderung des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars im Vergleich zu dem entsprechenden ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaar kann also die Änderung der Effizienz abgeleitet und die Bestromung entsprechend nachgeregelt werden.
Beispielsweise weist die Leuchtdiodenanordnung 1 einen Speicher 4 auf, in dem für die Leuchtdiode 2 charakteristische Werte für ihre ursprüngliche Stromspannungskennlinie hinterlegt sind. Beispielsweise basieren die charakteristischen Werte auf einem Ersatzschaltbild, wie es in 4A dargestellt ist. Zum Beispiel sind der Idealitätsfaktor der parasitären nichtstrahlenden Diode DNR, der Vorwiderstand RP und gegebenenfalls der serielle Widerstand RS hinterlegt.
Alternativ oder ergänzend ist in dem Speicher eine Mehrzahl von ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaaren hinterlegt. Durch Abgleich von den aktuellen Wertepaaren in Bezug zu den ursprünglichen Wertepaaren kann auf die Alterung geschlossen werden und eine entsprechende Anpassung der Bestromung vorgenommen werden.
Bei einer solchen Leuchtdiodenanordnung 1 mit einer Vielzahl von Leuchtdioden, beispielsweise einer Leuchtdiodenanordnung in Form einer Anzeigevorrichtung 10, wäre es nicht ohne weiteres möglich, die von den einzelnen Leuchtdioden 2 im Betrieb abgestrahlte Strahlung zu überwachen. Dadurch besteht die Gefahr, dass eine alterungsbedingte Änderung der Effizienz der Leuchtdioden zu einer fehlerhaften Farbansteuerung und/oder Farbwiedergabe führen würde. Dies kann wie vorstehend beschrieben kompensiert werden.
Insbesondere können Leuchtdioden 2, die für die Erzeugung von Strahlung in verschiedenen Spektralbereichen vorgesehen sind, beispielsweise eine unterschiedliche Alterungscharakteristik aufweisen, sodass durch die individuelle Anpassung des Alterungsverhaltens basierend auf konkreten Messungen an den jeweiligen Leuchtdioden 2 eine zuverlässige Regelung der Bestromung erfolgen kann.
Bei einer solchen Anzeigevorrichtung 10 kann die Farbsteuerung und Dimmung der einzelnen Bildpunkte über eine Änderung der Bestromung realisiert werden. Die Änderung der Bestromung kann durch eine Pulsweitenmodulation und/oder eine Änderung der Betriebsstromstärke der einzelnen Bildpunkte erfolgen. Für den zweiten Fall kann sich die Betriebsstromstärke in Abhängigkeit von der jeweils erforderlichen Leuchtstärke über mehrere Größenordnungen ändern. Über diesen gesamten Betriebsbereich können die Alterungseffekte kompensiert oder zumindest weitgehend kompensiert werden.
In 6 ist schematisch ein Verfahren zur Charakterisierung einer Leuchtdiode gezeigt. Das Verfahren eignet sich insbesondere, um die interne Effizienz der Lichterzeugung der Leuchtdiode nach deren Herstellung zu überprüfen. Hierfür werden in einem Schritt S31 Strom-Spannungs-Wertepaare für die Leuchtdiode ermittelt. Die Wertepaare werden basierend auf einem Ersatzschaltbild, bei dem eine ideale strahlende Diode DR von einer parasitären nichtstrahlenden Diode DNR mit einem Vorwiderstand überbrückt ist, angenähert (Schritt S32).
Der so ermittelte Vorwiderstand wird mit einem charakteristischen Vorwiderstand für die Leuchtdiode abgeglichen (Schritt S33). Anhand dieses Abgleichs kann auf die interne Effizienz der Leuchtdiode geschlossen werden. Auf diese Weise kann die Leuchtdiode im Hinblick auf einen optischen Parameter, nämlich die interne Effizienz der Lichterzeugung, überprüft werden, ohne dass hierfür eine optische Messung der emittierten Lichtleistung erforderlich ist. Vielmehr kann die Charakterisierung der Leuchtdiode anhand einer rein elektrischen Messung der Strom-Spannungs-Charakteristik erfolgen.
Beispielsweise kann die Leuchtdiode ausselektiert werden, wenn eine Abweichung des Vorwiderstands vom charakteristischen Vorwiderstand einen vorgegebenen Toleranzwert übersteigt. Mit anderen Worten kann anhand eines zu niedrigen Vorwiderstands bei dem zugrunde gelegten Ersatzschaltbild auf eine zu niedrige interne Effizienz der Lichterzeugung geschlossen werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Leuchtdiodenanordnung
2: Leuchtdiode
2B: weitere Leuchtdiode
3: Ansteuerschaltung
4: Speicher
5: Ersatzschaltbild
DR: ideale strahlende Diode
DNR: parasitäre nichtstrahlende Diode
RP: Vorwiderstand
RS: serieller Widerstand
S11, S12, S13, S14: Schritt
S21, S22, S23, S24: Schritt
S31, S32, S33: Schritt

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung (1) mit zumindest einer Leuchtdiode (2) mit den Schritten: a) Bestimmung von zumindest einem aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaar; b) Abgleichen des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars mit einem ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaar; und c) Ermitteln einer aktualisierten Bestromung anhand des Abgleichs und Ansteuern der Leuchtdiode mit der aktualisierten Bestromung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Alterung der Leuchtdiode durch die Ermittlung der aktualisierten Bestromung zumindest teilweise kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leuchtdiodenanordnung zumindest eine weitere Leuchtdiode (2A) aufweist und wobei für die weitere Leuchtdiode anhand von einem individuell ermittelten aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaar eine aktualisierte Bestromung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Strom beim Ermitteln des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars im Kleinstrombereich der Leuchtdiode liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Leuchtdiodenanordnung zum Betrieb der Leuchtdiode mit einer Mehrzahl von Dimmstufen eingerichtet ist und für jede Dimmstufe eine zugehörige aktualisierte Bestromung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand der Abweichung zwischen dem aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaar und dem ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaar eine aktualisierte Effizienz der Leuchtdiode für verschiedene Dimmstufen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei für die Ermittlung der aktualisierten Effizienz der Leuchtdiode ein Ersatzschaltbild (5) zugrunde gelegt wird, bei dem eine ideale strahlende Diode (DR) von einer parasitären nichtstrahlenden Diode (DNR) mit einem Vorwiderstand (RP) überbrückt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei anhand des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars ein aktualisierter Vorwiderstand ermittelt wird und die aktualisierte Bestromung basierend auf dem aktualisierten Vorwiderstand ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei für mehrere Dimmstufen jeweils ein aktuelles Strom-Spannungs-Wertepaar ermittelt wird und für die Dimmstufen jeweils eine entsprechend aktualisierte Bestromung für die Dimmstufe anhand der jeweils zugehörigen aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars ermittelt wird.
Verfahren zum Charakterisieren einer Leuchtdiode (2) im Hinblick auf ihre interne Effizienz der Lichterzeugung mit den Schritten: a) Ermitteln von Strom-Spannungs-Wertepaaren für die Leuchtdiode; b) Annähern der Strom-Spannungs-Wertepaare basierend auf einem Ersatzschaltbild (5), bei dem eine ideale strahlende Diode (DR) von einer parasitären nichtstrahlenden Diode (DNR) mit einem Vorwiderstand (RP) überbrückt ist; und c) Abgleichen des Vorwiderstands mit einem charakteristischen Vorwiderstand für die Leuchtdiode.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Leuchtdiode ausselektiert wird, wenn eine Abweichung des Vorwiderstands vom charakteristischen Vorwiderstand einen vorgegebenen Toleranzwert übersteigt.
Leuchtdiodenanordnung (1) mit zumindest einer Leuchtdiode (2) und einer Ansteuerschaltung (3), wobei die Leuchtdiodenanordnung dazu eingerichtet ist, ein aktuelles Strom-Spannungs-Wertepaar der Leuchtdiode zu ermitteln und anhand des aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaars eine aktualisierte Bestromung für die Leuchtdiode zu ermitteln.
Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 12, wobei die Leuchtdiodenanordnung eine Anzeigevorrichtung (10) mit einer Vielzahl von Leuchtdioden ist, wobei die Leuchtdiodenanordnung dazu eingerichtet ist, für die Leuchtdioden jeweils ein aktuelles Strom-Spannungs-Wertepaar zu ermitteln und anhand der jeweiligen aktuellen Strom-Spannungs-Wertepaare eine aktualisierte Bestromung für die Leuchtdioden zu ermitteln.
Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Leuchtdiodenanordnung einen Speicher (4) aufweist, in dem für die Leuchtdiode charakteristische Werte für ihre ursprüngliche Strom-Spannungs-Kennlinie hinterlegt sind.
Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Leuchtdiodenanordnung einen Speicher (4) aufweist, in dem für die Leuchtdiode eine Mehrzahl von ursprünglichen Strom-Spannungs-Wertepaaren hinterlegt ist.
Leuchtdiodenanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Leuchtdiodenanordnung anhand einer ursprünglichen Strom-Spannungs-Eigenschaft kalibrierbar ist.
Leuchtdiodenanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Leuchtdiodenanordnung für den Betrieb gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.