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Die Erfindung betrifft den Betrieb eines Halbleiter-basierten Leuchtelements, etwa einer Anordnung von LEDs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betrieb eines Halbleiter-basierten Leuchtelements.
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Ein Fahrzeug kann ein oder mehrere Halbleiter-basierte Leuchtelemente umfassen, um Belichtungsfunktionen des Fahrzeugs bereitzustellen. Insbesondere kann ein Scheinwerfer des Fahrzeugs mittels eines Halbleiter-basierten Leuchtelements implementiert sein.
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Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb eines Halbleiter-basierten Leuchtelements kann es vorteilhaft sein, die Temperatur des Leuchtelements zu überwachen. Zu diesem Zweck kann an dem Leuchtelement ein Temperatursensor, z.B. mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, verbaut werden, um die Temperatur des Leuchtelements zu erfassen. Die Bereitstellung eines separaten Temperatursensors ist jedoch mit erhöhten Kosten, mit einem erhöhten Bauraumbedarf und mit einem erhöhten Gewicht verbunden.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, die Temperatur eines Halbleiter-basierten Leuchtelements in effizienter und präziser Weise zu ermitteln, insbesondere um einen zuverlässigen und sicheren Betrieb des Leuchtelements zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betrieb eines Halbleiter-basierten Leuchtelements (z.B. einer Kette von LEDs, und/oder eines LEDbasierten Scheinwerfers) beschrieben. Die Vorrichtung ist eingerichtet, zu bestimmen, dass eine Kalibrierungs-Betriebssituation des Leuchtelements vorliegt, bei der eine Eigenerwärmung des Leuchtelements gleich wie oder kleiner als ein Eigenerwärmungs-Schwellenwert ist. Mit anderen Worten, die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu erkennen, dass das Leuchtelement derart betrieben wird, dass das Leuchtelement keine signifikante Eigenerwärmung aufweist, und dass daher eine Kalibrierungs-Betriebssituation vorliegt. Beispielsweise kann erkannt werden, dass eine Kalibrierungs-Betriebssituation vorliegt, bei der die Eigenerwärmung des Leuchtelements derart gering ist, dass die Temperatur des Leuchtelements nur um 10% oder weniger, oder um 5% oder weniger, über der Umgebungstemperatur des Leuchtelements liegt.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu detektieren, dass die Betriebsdauer des Leuchtelements seit Inbetriebnahme bzw. seit Aktivierung des Leuchtelements gleich wie oder kleiner als ein Zeit-Schwellenwert ist. Beispielsweise kann erkannt werden, dass das Leuchtelements erst vor relativ kurzer Zeit (z.B. vor 1 Sekunde oder weniger) aktiviert wurde. Es kann dann basierend darauf bestimmt werden, dass eine Kalibrierungs-Betriebssituation vorliegt. Insbesondere kann ggf. davon ausgegangen werden, dass in einem begrenzten Zeitintervall (z.B. 1 Sekunde oder weniger) ab Aktivierung bzw. Inbetriebnahme des Leuchtelements die Eigenerwärmung des Leuchtelements derart gering ist, dass eine Kalibrierungs-Betriebssituation vorliegt.
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Das Leuchtelement kann derart betrieben werden, dass die Leuchtintensität des Leuchtelements mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellt wird. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu detektieren, dass die Pulsweite der Pulsweitenmodulation gleich wie oder kleiner als ein Pulsweiten-Schwellenwert (z.B. von 50% oder weniger, oder von 30% oder weniger, oder von 10% oder weniger) ist. Es kann dann basierend darauf bestimmt werden, dass eine Kalibrierungs-Betriebssituation vorliegt. Eine relativ niedrige Pulsweite der PWM Ansteuerung des Leuchtelements ist ein Indikator für eine relativ niedrige Eigenerwärmung des Leuchtelements, und somit ein Indikator für das Vorliegen einer Kalibrierungs-Betriebssituation.
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Die Vorrichtung kann ferner eingerichtet sein, bei bzw. während der Kalibrierungs-Betriebssituation einen Spannungsmesswert für die Spannung an dem Leuchtelement zu ermitteln bzw. zu erfassen. Der Spannungsmesswert kann mittels einer Spannungs-Messeinheit erfasst werden.
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Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, auf Basis des Spannungsmesswerts eine Temperatur-Spannungs-Kennlinie zu ermitteln bzw. zu kalibrieren. Die Temperatur-Spannungs-Kennlinie kann ausgebildet sein, in Abhängigkeit von einem Wert der Spannung an dem Leuchtelement einen Schätzwert der Temperatur des Leuchtelements anzuzeigen bzw. bereitzustellen. Mit anderen Worten, die Temperatur-Spannungs-Kennlinie ermöglicht es, die Temperatur des Leuchtelements auf Basis eines Messwertes der Spannung zu schätzen. So kann auf den Verbau eines separaten Temperatursensors verzichtet werden. Es wird somit ein effizienter Betrieb des Leuchtelements ermöglicht.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, bei bzw. während der Kalibrierungs-Betriebssituation Temperatur-Sensordaten in Bezug auf die Umgebungstemperatur der Umgebung des Leuchtelements zu ermitteln. Beispielsweise kann die Raumtemperatur des Raums ermittelt werden, in dem das Leuchtelement angeordnet ist. Die Temperatur-Sensordaten können z.B. mittels eines Temperatursensors erfasst werden, der sowieso in dem System (z.B. in dem Fahrzeug) verbaut ist, in dem das Leuchtelement betrieben wird.
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Die Temperatur-Spannungs-Kennlinie kann dann mit erhöhter Genauigkeit auch auf Basis der Temperatur-Sensordaten ermittelt werden. Insbesondere kann auf Basis der Temperatur-Sensordaten ein Temperaturmesswert für die Temperatur des Leuchtelements ermittelt werden. Die Temperatur-Spannungs-Kennlinie kann dann in präziser Weise auf Basis des durch den Temperaturmesswert und den Spannungsmesswert gebildeten Messpunkt für die Temperatur-Spannungs-Kennlinie ermittelt werden.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine Basis-Kennlinie in Abhängigkeit von dem Spannungsmesswert (insbesondere in Abhängigkeit von dem durch den Temperaturmesswert und den Spannungsmesswert gebildeten Messpunkt) anzupassen, insbesondere zu verschieben, um die Temperatur-Spannungs-Kennlinie zu ermitteln. Die Basis-Kennlinie kann dabei im Vorfeld experimentell für allgemeine Leuchtelemente ermittelt worden sein. Durch Berücksichtigen des Spannungsmesswerts kann dann die Basis-Kennlinie spezifisch für das vorliegende Leuchtelement angepasst werden, um die Temperatur-Spannungs-Kennlinie für das spezifische Leuchtelement zu ermitteln. So kann eine besonders effiziente und präzise Ermittlung der Temperatur-Spannungs-Kennlinie ermöglicht werden.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, das Leuchtelement in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur-Spannungs-Kennlinie zu betreiben (insbesondere um einen Überhitzungsschutz für das Leuchtelement bereitzustellen). Insbesondere kann die Vorrichtung eingerichtet sein, während des Betriebs des Leuchtelements (auch außerhalb der Kalibrierungs-Betriebssituation) wiederholt Spannungsmesswerte für die Spannung an dem Leuchtelement zu ermitteln. Es kann dann wiederholt, basierend auf dem jeweils ermittelten Spannungsmesswert und auf Basis der ermittelten Temperatur-Spannungs-Kennlinie, überprüft werden, ob eine Schutzmaßnahme zum Schutz des Leuchtelements vor Überhitzung durchzuführen ist. So kann ein zuverlässiger und effizienter Betrieb des Leuchtelements ermöglicht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-)Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das ein Halbleiter-basiertes Leuchtelement sowie die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung zum Betrieb des Leuchtelements umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Computer-implementiertes) Verfahren zum Betrieb eines Halbleiter-basierten Leuchtelements beschrieben. Das Verfahren umfasst das Bestimmen, dass eine Kalibrierungs-Betriebssituation des Leuchtelements vorliegt, bei der eine Eigenerwärmung des Leuchtelements gleich wie oder kleiner als ein Eigenerwärmungs-Schwellenwert ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln, bei der Kalibrierungs-Betriebssituation, eines Spannungsmesswertes für eine Spannung an dem Leuchtelement. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln, auf Basis des Spannungsmesswertes, einer Temperatur-Spannungs-Kennlinie, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem Wert der Spannung einen Schätzwert der Temperatur des Leuchtelements anzuzeigen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1a ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem Halbleiter-basierten Leuchtelement;
- 1b ein beispielhaftes Halbleiter-basiertes Leuchtelement;
- 1c eine beispielhafte Temperatur-Spannungs-Kennlinie eines Halbleiter-basierten Leuchtelements; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Halbleiter-basierten Leuchtelements.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument damit, einen effizienten und zuverlässigen Betrieb eines Halbleiter-basierten Leuchtelements zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang zeigt 1a ein beispielhaftes Fahrzeug 100, das an der Karosserie 105, z.B. als Scheinwerfer, ein Halbleiter-basiertes Leuchtelement 102 aufweist. Das Leuchtelement 102 kann ein oder mehrere Licht Emittierende Dioden (LEDs), insbesondere ein oder mehrere Stränge bzw. Kennten von LEDs, umfassen.
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Das Leuchtelement 102 kann über eine Ansteuer-Vorrichtung 101 angesteuert werden, wobei die Ansteuer-Vorrichtung 101 eingerichtet ist, einen bestimmten Strom 111 durch das Leuchtelement 102 zu bewirken. Die Helligkeit bzw. die Intensität des Leuchtelements 102 kann z.B. durch eine PWM (Pulsweitenmodulation) Steuerung des Stroms 111 eingestellt werden. Des Weiteren kann eine Messeinheit 103 vorgesehen sein, die eingerichtet ist, die Spannung 112 an dem Leuchtelement 102 zu erfassen.
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Durch das Leuchtelement 102 kann somit, wie in 1b dargestellt, ein bestimmter Strom 111 bewirkt werden, und es kann die Spannung 112 erfasst werden, die sich an dem Leuchtelement 102 einstellt.
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Ein Halbleiter-basiertes Leuchtelement 102 weist typischerweise einen definierten Zusammenhang zwischen der Temperatur des Leuchtelements 102 und der Spannung 112 an dem Leuchtelement 102 auf. 1c zeigt eine beispielhafte Temperatur-Spannung-Kennlinie 120 für ein Leuchtelement 102, die den Zusammenhang zwischen der Spannung 112 an dem Leuchtelement 102 und der Temperatur 122 des Leuchtelements 102 anzeigt.
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Die allgemeine Form der Kennlinie 120 (d.h. eine Basis-Kennlinie) kann ggf. im Vorfeld (experimentell) ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Funktion mit ein oder mehreren Parametern bereitgestellt, z.B. experimentell ermittelt, werden, durch die die allgemeine Form der Kennlinie 120 beschrieben werden kann. Beispielsweise kann die Funktion eine Gerade mit einer bestimmten Steigung sein, wobei die Gerade z.B. durch einen Offset-Parameter verschoben werden kann (wie in 1c dargestellt). Eine weitere beispielhafte Funktion ist ein Polynom 1ter, 2ter, oder 3ter Ordnung.
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Zur Ermittlung der konkreten Kennlinie 124 für ein spezifisches Leuchtelement 102 können für ein oder mehrere Temperaturwerte 123 des Leuchtelements 102 Spannungswerte 113, 114 erfasst werden. Die ein oder mehreren Parameter der Basis-Kennlinie 120 können dann auf Basis der ein oder mehreren Messpunkte aus jeweils einem Temperaturwert 123 und einem Spannungswert 113, 114 ermittelt werden. In dem in 1c dargestellten Beispiel kann die Basis-Kennlinie 120 auf Basis eines Messpunktes mit dem Temperaturwert 123 und dem Spannungswert 113 verschoben werden, um die konkrete Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124 für das spezifische Leuchtelement 102 zu ermitteln.
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Die Ansteuer-Vorrichtung 101 kann dann das Leuchtelement 102 in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124 betreiben. Insbesondere kann dabei auf Basis von Messwerten 113, 114 der Spannung 112 die jeweils aktuelle Temperatur 122 des Leuchtelements 102 ermittelt und überwacht werden. Beispielsweise können ein oder mehrere Schutzmaßnahmen eingeleitet werden, wenn auf Basis eines Messwertes 113, 114 der Spannung 112 und auf Basis der Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124 erkannt wird, dass die Temperatur 122 des Leuchtelements 102 einen bestimmten Temperatur-Schwellenwert erreicht oder überschritten hat. Beispielhafte Schutzmaßnahmen sind: das Ausgeben eines Warnhinweises, das Deaktivieren des Leuchtelements 102, und/oder das Kühlen des Leuchtelements 102.
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Wie oben dargelegt, kann die spezifische Kennlinie 124 für ein Leuchtelement 112 durch Erfassen von ein oder mehreren Temperatur-Spannungs-Messpunkten ermittelt werden. Insbesondere können dabei eine Kalibrierung bzw. eine Anpassung einer Basis-Kennlinie 120 erfolgen. Wie eingangs dargelegt, soll bevorzugt auf die Verwendung eines Temperatursensors an dem Leuchtelement 112 verzichtet werden, um den erforderlichen Bauraum, das Gewicht und/oder die Kosten zu reduzieren. Als Folge daraus können die ein oder mehreren Temperatur-Spannungs-Messpunkte nicht direkt erfasst werden.
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Ein Fahrzeug 100 weist typischerweise einen Temperatursensor 104 auf, der eingerichtet ist, Temperaturdaten in Bezug auf die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs 100 zu erfassen. Die Temperaturdaten des Temperatursensors 104 können als Indikator für die Temperatur des Leuchtelements 112 verwendet werden, solange sich die Temperatur des Leuchtelements 112 nicht (substantiell) durch Eigenerwärmung des Leuchtelements 112 gegenüber der Umgebungstemperatur erhöht hat.
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Die Vorrichtung 101 kann eingerichtet sein, eine Betriebssituation des Leuchtelements 112 zu erkennen, bei der noch keine signifikante Eigenerwärmung des Leuchtelements 112 erfolgt ist. Insbesondere kann von der Vorrichtung 101 erkannt werden, dass eine Betriebssituation des Leuchtelements 112 vorliegt, bei der die Eigenerwärmung des Leuchtelements 112 gleich wie oder kleiner als ein bestimmter Eigenerwärmungs-Schwellenwert ist.
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Eine solche Betriebssituation kann z.B. vorliegen:
- • wenn das Leuchtelement 112 mit einem relativ niedrigen Strom und/oder mit einer relativ niedrigen PWM Frequenz und/oder mit einer relativ niedrigen Pulsweite betrieben wird; und/oder
- • bei Inbetriebnahme des Leuchtelements 112.
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Wenn eine (Kalibrierungs-) Betriebssituation mit geringer Eigenerwärmung erkannt wurde, so kann mittels der Messeinheit 103 ein Messwert 114 für die Spannung 112 erfasst werden. Des Weiteren kann auf Basis der Temperaturdaten des Temperatursensors 104 für die Umgebungstemperatur ein Temperaturwert 123 ermittelt werden. So kann in effizienter Weise ein präziser Temperatur-Spannungs-Messpunkt für die Kalibrierung der Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124 erfasst werden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 200 zum Betrieb und/oder zur Kalibrierung eines Halbleiter-basierten Leuchtelements 102 (insbesondere einer Reihenschaltung von LEDs). Das Verfahren 200 kann z.B. durch eine Steuereinheit bzw. eine Steuer-Vorrichtung 101 eines Fahrzeugs 100 ausgeführt werden.
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Das Verfahren 200 umfasst das Bestimmen 201, dass eine Kalibrierungs-Betriebssituation des Leuchtelements 102 vorliegt, bei der eine Eigenerwärmung des Leuchtelements 102 gleich wie oder kleiner als ein Eigenerwärmungs-Schwellenwert ist. Der Eigenerwärmungs-Schwellenwert kann z.B. derart niedrig sein, dass die Temperaturerhöhung des Leuchtelements 102 aufgrund von Eigenerwärmung höchstens 10% über der Umgebungstemperatur des Leuchtelements 102 (bzw. des Fahrzeugs 100) liegt, wenn die Eigenerwärmung des Leuchtelements 102 gleich wie oder kleiner als der Eigenerwärmungs-Schwellenwert ist. Es kann z.B. auf Basis der Pulsweite der PWM Ansteuerung des Leuchtelements 102 und/oder auf Basis der bisherigen Betriebsdauer des Leuchtelements 102 seit Inbetriebnahme bzw. Aktivierung des Leuchtelements ermittelt werden, ob eine Kalibrierungs-Betriebssituation vorliegt oder nicht.
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Des Weiteren umfasst das Verfahren 200 das Ermitteln 202, bei bzw. während der Kalibrierungs-Betriebssituation, eines Spannungsmesswertes 114 für die Spannung 112 an dem Leuchtelement 102. Der Spannungsmesswert 114 kann mittels einer Messeinheit 103 erfasst werden.
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Das Verfahren 200 umfasst ferner das Ermitteln 203, auf Basis des Spannungsmesswertes 114, einer Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem Wert der Spannung 112 einen Schätzwert der Temperatur 122 des Leuchtelements 102 anzuzeigen. Insbesondere kann die Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124 auf Basis des während der Kalibrierungs-Betriebssituation erfassten Spannungsmesswertes 114 kalibriert werden. Z.B. kann auf Basis des erfassten Spannungsmesswertes 114 ein Offset für eine vordefinierte Basis-Kennlinie 120 ermittelt werden.
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Das Leuchtelement 102 kann dann mittels der kalibrierten Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124 betrieben werden (auch in anderen Betriebssituationen, in denen die Eigenerwärmung des Leuchtelements 102 größer als der Eigenerwärmungs-Schwellenwert ist). Insbesondere kann die Temperaturüberwachung des Leuchtelements 102 auf Basis von wiederholten Spannungsmessungen und auf Basis der kalibrierten Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124 durchgeführt werden. So kann ein effizienter und sicherer Betrieb eines Halbleiter-basierten Leuchtelements 102 ermöglicht werden.
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Die Kalibrierung der Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124 kann regelmäßig (z.B. bei jeder Nten Inbetriebnahme des Leuchtelements (z.B. mit N=1, 2, 3, oder 10 oder weniger) durchgeführt werden. Durch die wiederholte Anpassung der Temperatur-Spannungs-Kennlinie 124 kann die Genauigkeit der TemperaturÜberwachung des Halbleiter-basierten Leuchtelements 102 weiter erhöht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
