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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Halbleiterretrofitlampe mit Halbleiterlichtquellen als Ersatz für eine Glühlampe.
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Hintergrund
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Die Erfindung geht aus von einer Halbleiterretrofitlampe mit Halbleiterlichtquellen als Ersatz für eine Glühlampe. Retrofitlampen mit Halbleiterlichtquellen wie Leuchtdioden (LED) oder Organische Leuchtdioden (OLED) werden aufgrund ihrer Vorteile immer beliebter. Gegenüber Glühlampen haben die Halbleiterretrofitlampen vor allem den Vorteil des deutlich geringeren Stromverbrauchs sowie einer erhöhten Lebensdauer. Vor allem im Kfz ist die größere Lebensdauer dieser Lampen für viele Kfz-Besitzer ein Grund, diese Lampen als Ersatz zu verwenden. Da für bestimmte Anwendungen wie Scheinwerfer und Tagfahrlicht die europäischen ECE Regelungen einen Einsatz von Halbleiterretrofitlampen verhindern, werden diese vor allem für einfachere Lichtfunktionen wie die Innenraumbeleuchtung und die Armaturenbrettbeleuchtung eingesetzt. Für diese Lichtfunktionen werden üblicherweise sehr kleine Lampen mit speziellen Sockeln eingesetzt. Als Beispiel für diese Lampen können hier z.B. die zweiseitig gesockelten Lampen mit dem Sockel SV8,5-8 oder die einseitig gesockelten Lampen mit dem Sockel W2,1x9,5d, BA9s oder W2x4,6d genannt werden.
In außereuropäischen Ländern, insbesondere in Asien, gibt es keine so strikten Vorschriften für die Außenbeleuchtung von Kfz, daher können hier Halbleiterretrofitlampen auch für Scheinwerfer, Tagfahrlichter, Blink- und Rücklichter eingesetzt werden.
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Bei modernen Kfz besteht nun das Problem, dass diese sogenannte BCUs (Body Control Unit) implementiert haben, die zumindest die wesentlichen Lichtfunktionen des Fahrzeugs überwachen. Diese BCUs sind auf Glühlampen ausgelegt, und überprüfen in regelmäßigen Abständen, ob die Glühwendel der Glühlampe noch intakt ist. Dazu senden sie einen sehr kurzen Strompuls aus und messen den Widerstand der Glühwendel. Ist diese intakt, ist der Widerstand niedrig. Ist die Glühlampe defekt, ist der Widerstand sehr hoch (theoretisch unendlich). Der Strompuls ist so bemessen, dass die Glühwendel aufgrund ihrer Trägheit nicht ins Leuchten gerät. Wird nun eine Glühlampe durch eine Halbleiterretrofitlampe ersetzt, so ergeben sich zwei Probleme:
- 1. Eine LED weist eine andere Charakteristik auf als eine Glühlampe, ein kurzer Strompuls, dessen Spannung kleiner ist als die Flussspannung der LEDs führt nicht zu einem Stromfluss in der Halbleiterretrofitlampe, und die BCU erkennt die Halbleiterretrofitlampe fälschlicherweise als defekt.
- 2. Ist die Spannung des Strompulses groß genug, dass sie höher ist als die Flussspannung der LEDs in der Halbleiterretrofitlampe, so blitzt diese beim Lampentest der BCU unerwünscht auf. Da der Stromfluss meistens trotzdem nicht hoch genug ist wird auch in diesem Fall eine defekte Lampe von der BCU gemeldet.
Daher weisen hochwertige Halbleiterretrofitlampen die Eigenschaft auf, dass ein niederohmiger Verbraucher wie ein Widerstand im abgeschalteten Zustand der Halbleiterretrofitlampe in den Stromkreis geschaltet wird. Der Widerstand ist dabei idealerweise so bemessen wie der Kaltwiderstand der Glühwendel der zu ersetzenden Glühlampe. Dieser Schaltungsteil wird landläufig auch als „Bleeder“ bezeichnet. Mit dieser Maßnahme verhält sich die Halbleiterretrofitlampe beim Lampentest wie eine Glühlampe und die BCU meldet richtigerweise eine intakte Lampe.
Da der Widerstand aber im Betrieb störend ist und den Vorteil der höheren Effizienz der Halbleiterretrofitlampen zunichtemachen würde, muss er schaltbar ausgeführt werden. Für dieses Feature muss also mindestens ein Schalter und der Widerstand für die Halbleiterretrofitlampe spendiert werden. Dies ist nicht nur aus Kostengründen ein Problem, sondern auch aus Platzgründen. Wie oben beschrieben sind diese Halbleiterretrofitlampen oft sehr klein, und es ist nicht möglich, beliebig viele elektronische Bauteile in der Halbleiterretrofitlampe unterzubringen. Da neben der erwähnten Bleederschaltung auch noch die Betriebsschaltung für die Halbleiterlichtquellen in der Halbleiterretrofitlampe Platz finden muss, ist dieses Problem real.
1 zeigt ein Beispiel einer Halbleiterretrofitlampe mit einer bekannten Schaltungsanordnung für den Betrieb der Halbleiterretrofitlampe. Die Halbleiterretrofitlampe weist zwei Eingangsanschlüsse J3 und J4 auf, die mit einer Wandlerschaltung 12, hier einem Brückengleichrichter gekoppelt sind. Die Wandlerschaltung 12 wandelt die Eingangsspannung in eine gerichtete Gleichspannung um. Speziell bei zweiseitig gesockelten Lampen wie den Sofittenlampen mit dem SV8,5-8 Sockel können in zwei Lagen eingebaut werden, in denen jeweils Plus und Minus der Bordspannung vertauscht ist. Da LEDs eine gerichtete Spannung benötigen, ist die Wandlerschaltung zwingend notwendig.
Die durch die Wandlerschaltung gerichtete Spannung wird nun in eine Schaltungsanordnung 11 eingegeben, die aus Betriebsschaltung und Bleeder besteht. Die LEDs 5 werden mittels eines Vorwiderstandes R6 mit dem für sie korrekten Strom betrieben. Der Bleeder wird gebildet durch den Vorwiderstand R1 und den Transistor Q1-A. Der Transistor Q1-B wird zur Invertierung des Signals benötigt. Eine Schaltung aus einem Spannungsteiler R3, R4 und einem Kondensator C1 parallel zu R4 sorgt dafür, dass der Bleeder beim Anlegen einer Spannung zunächst eingeschaltet wird, nach einer vorbestimmten Zeit jedoch wieder ausgeschaltet wird. Durch die Koppeldiode D1 werden die LEDs abgeschaltet, so lange der Bleeder eingeschaltet ist. Sobald der Bleeder abgeschaltet wird, schaltet der Transistor Q2-A die LEDs 5 der Halbleiterretrofitlampe ein. Im Strompfand befindet sich der Vorwiderstand R5, der den korrekten Strom für die LEDs 5 einstellt.
Die minimale Konfiguration der Schaltungsanordnung besteht also aus einem Vollwellengleichrichter mit 4 Dioden, und einer Schaltungsanordnung mit 3 Schaltern und mindestens 4 Widerständen sowie einem Kondensator. Einige weitere Pull-up Widerstände sind ebenfalls notwendig.
Bei kleinen Retrofitlampen wie die oben erwähnten Soffittenlampen und die Lampen für Armaturen- und Kennzeichenbeleuchtung ist es sehr schwierig, diese Bauteile in der Halbleiterretrofitlampe unterzubringen.
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Aufgabe
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterretrofitlampe für den Ersatz einer Glühlampe, aufweisend einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss zum Eingeben einer Eingangsspannung, eine Wandlerschaltung zum Umwandeln der Eingangsspannung in eine gerichtete Gleichspannung, mindestens eine Halbleiterlichtquelle, eine Schaltungsanordnung zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle an der Eingangsspannung vorzuschlagen, die weniger Bauteile benötigt und daher kleiner, einfacher und kostengünstiger Herzustellen ist.
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Darstellung der Erfindung
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer Halbleiterretrofitlampe für den Ersatz einer Glühlampe, aufweisend einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss zum Eingeben einer Eingangsspannung, eine Wandlerschaltung mit Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen zum Umwandeln der Eingangsspannung in eine gerichtete Gleichspannung, mindestens eine Halbleiterlichtquelle, eine Schaltungsanordnung zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle an der gerichteten Gleichspannung, wobei die Schaltungsanordnung einen ersten Widerstand und einen ersten Schalter aufweist, wobei die Halbleiterretrofitlampe eingerichtet ist, den ersten Schalter zu schließen und die mindestens eine Halbleiterlichtquelle zu überbrücken wobei der erste Widerstand als Lastwiderstand dient, wenn die Eingangsspannung an die Halbleiterretrofitlampe angelegt wird, und die Halbleiterretrofitlampe eingerichtet ist, den ersten Schalter nach einer vorbestimmten Zeit nach Anlegen der Eingangsspannung zu öffnen wobei der erste Widerstand dann als Vorwiderstand zum Einstellen der Stromstärke durch die mindestens eine Halbleiterlichtquelle dient.
Durch diese Maßnahme werden mindestens ein Schalter/Transistor und ein Lastwiderstand eingespart, da nun der erste Schalter und der erste Widerstand eine Doppelfunktion übernehmen: Bei frisch eingeschalteter Retrofitlampe ist der Schalter leitend und schließt die LEDs der Retrofitlampe kurz, der erste Widerstand ist ins Bordnetz geschaltet und simuliert eine Glühwendel. Nach kurzer Zeit wird der erste Schalter geöffnet und der erste Widerstand dient dann als Vorwiderstand für die LEDs, die damit mit dem richtigen Strom betrieben werden. Die kurze Zeit ist ausreichend, um der BCU eine intakte Glühlampe vorzugaukeln, weswegen keine Fehlermeldung ausgegeben wird. Durch die Einsparung dieser Bauteile werden vorteilhaft Kosten und - noch wichtiger - Bauraum gespart, so dass auch kleine Retrofitlampen realisiert werden können.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Serienschaltung des ersten Widerstandes und des ersten Schalters zwischen die Ausgangsanschlüsse der Wandlerschaltung geschaltet. Mit dieser Maßnahme kann der oben beschriebene Bleeder besonders einfach realisiert werden, da dann der erste Widerstand direkt als Glühwendelwiderstand dienen kann.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Halbleiterlichtquelle parallel zum ersten Schalter angeordnet. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher und effizienter Aufbau der Schaltung der Retrofitlampe mit der oben erwähnten Funktionalität. Durch die Parallelschaltung des Schalters zu den LEDs werden diese bei geschlossenen Schalter kurzgeschlossen, was besonders vorteilhaft ein Aufblitzen der LEDs beim Funktionstest der BCU unterbindet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Spannungsteiler aus einer Serienschaltung eines zweiten und eines dritten Widerstandes vorgesehen, der mit den Ausgangsanschlüssen der Wandlerschaltung verbunden ist, wobei parallel zum dritten Widerstand eine Kapazität vorgesehen ist. Diese Maßnahme ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Ansteuerung des Schalters, wobei der Spannungsteiler die Ausgangsspannung der Wandlerschaltung herunterteilt, und mit dem durch den Spannungsteiler festgelegten Strom den Kondensator auflädt. Sobald der Kondensator ein bestimmtes Spannungsniveau erreicht hat, wird der Schalter betätigt. Damit lässt sich vorteilhaft auf einfache Art die beschriebene Funktionalität erreichen, bei der der Schalter nach Anlegen der Betriebsspannung zunächst eingeschaltet wird, nach kurzer Zeit dann aber wieder ausgeschaltet wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein zweiter Schalter an den Spannungsteiler angeschlossen, welcher das Signal des Spannungsteilers invertiert und an eine Steuerelektrode des ersten Schalters anlegt. Durch diese Maßnahme kann vorteilhaft ein kostengünstiger P-Kanal Mosfet oder NPN Transistor als Schalter verwendet werden, da das Siganl dann durch die Invertierung direkt als Ansteuersignal für den Transistor verwendet werden kann.
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Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemä-ßen Halbleiterretrofitlampe für den Ersatz einer Glühlampe ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
- 1 Ein Schaltbild einer bekannten Retrofitlampe mit einem Schaltungsteil für den Betrieb und einem Schaltungsteil für den Lampentest,
- 2 Ein Schaltbild einer Ausführungsform mit einem integrierten Schaltungsteil für den Betrieb und den Lampentest.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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2 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Halbleiterretrofitlampe mit einem integrierten Schaltungsteil für den Betrieb und den Lampentest. Die Erfindung macht sich die Tatsache zu Nutze, dass für den Bleeder und für den Betrieb der LEDs eine ähnliche Struktur bestehend aus einem Schalter und einem dazu in Serie geschalteten Widerstand verwendet wird.
Die Transistoren für Bleeder und Betrieb der LEDs 5 sowie die Vorwiderstände für den Bleeder und den Betrieb der LEDs 5 werden nun in sehr vorteilhafterweise zu je einem Bauteil zusammengefasst, indem sie sehr effizient mit den LEDs 5 verschaltet werden.
Dazu bleibt der Bleeder bestehend aus dem Transistor Q1-A und dem Vorwiderstand R1 bestehen, der Transistor Q2-A und der Vorwiderstand R5 für den Betrieb der LEDs 5 fallen weg. Die LEDs 5 sind nun zwischen dem Knotenpunkt zwischen dem Vorwiderstand R1 und dem Transistor Q1-A einerseits, und der Schaltungsmasse andererseits geschaltet. Dabei ist nun die Kathode der ersten LED 5 mit dem Knotenpunkt zwischen dem Vorwiderstand R1 und dem Transistor Q1-A verbunden, und die Anode der letzten Diode mit Schaltungsmasse. Schaltungsmasse ist dabei der negative Ausgang des Vollwellengleichrichters. Die LEDs 5 selbst sind in Serie angeordnet, sofern mehr als eine LED vorgesehen ist. Es ist aber auch eine Mischung aus Serienschaltung und Parallelschaltung für die LEDs denkbar.
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Zur Funktionsweise:
- Sobald eine Spannung UE an die Halbleiterretrofitlampe angelegt wird, wird der Transistor Q1-A durch den Widerstand R2 aktiviert und der Strompfad durch den Vorwiderstand R1 freigeschaltet. Der Bleeder ist nun aktiv, und der Transistor Q1-A schließt gleichzeitig die LEDs 5 kurz, so dass diese nicht aufblitzen beziehungsweise aufleuchten können. Der Kondensator C1 wird langsam über den Widerstand R3 geladen. So lange der Kondensator C1 nicht geladen ist, schließt er den Widerstand R4 kurz, und der Transistor Q1-B bleibt zunächst ausgeschaltet.
Bei einem kurzen Spannungspuls der BCU zum Zwecke der Prüfung der angeschlossenen Lampe wird also der Bleeder eingeschaltet und die Halbleiterretrofitlampe verhält sich wie eine Glühlampe. Ist die Halbleiterretrofitlampe wieder spannungsfrei, entlädt sich der Kondensator C1 über den Widerstand R4.
Dies ist der erste Betriebsmodus der Halbleiterretrofitlampe.
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Wird die Halbleiterretrofitlampe jedoch eingeschaltet, so verhält sie sich zunächst genauso, es wird also erst der Bleeder eingeschaltet und die LEDs 5 werden kurzgeschlossen. Sobald jedoch der Kondensator C1 genügend geladen ist, wird er den Transistor Q1-B einschalten, welcher wiederum den Transistor Q1-A ausschaltet. Dadurch sind die LEDs 5 nicht mehr kurzgeschlossen, und es entsteht ein Strompfad vom positiven Ausgang VCC des Vollwellengleichrichters 12 über den Vorwiderstand R1 und die LEDs 5 zum negativen Ausgang GND des Vollwellengleichrichters. Dadurch leuchten die LEDs 5, und die Halbleiterretrofitlampe ist in Betrieb. Der Vorwiderstand R1 dient nun als Strombegrenzungswiderstand zum Einstellen der korrekten Stromstärke durch die Leds 5.
Dies ist der zweite Betriebsmodus der Halbleiterretrofitlampe.
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Einzige Einschränkung dieser Ausführungsform der Schaltungsanordnung 11 ist der Wert des Vorwiderstandes R1, er muss so bemessen sein, dass der geeignete Strom durch die LEDs 5 fließt. Gleichzeitig muss der Wert aber auch geeignet sein, die Glühwendel einer Glühlampe zu simulieren, damit der Lampentest der BCU bestanden wird.
Bei geeigneter Auslegung der Schaltungsanordnung und der Anzahl der LEDs 5 ist dies jedoch ohne weiteres möglich.
Der Vorwiderstand R1 für den korrekten Betrieb der LEDs in der vorliegenden Ausführungsform beträgt 100 Ohm.
Um den Lampentest der BCU zu bestehen, muss der Vorwiderstand R1 im Bereich zwischen 75 Ohm und 330 Ohm liegen.
Damit ist klar, dass diese Schaltungsanordnung für viele Retrofitlampen genutzt werden kann. Durch die Einsparung eines Transistors, zweier Widerstände und einer Diode ist die Schaltungsanordnung nicht nur kostengünstiger, sondern sie wird auch signifikant kleiner, was in dieser Anwendung sehr wichtig ist. Viele kleine Halbleiterretrofitlampen könnten ohne solch eine optimierte Schaltung überhaupt nicht hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleiterretrofitlampe
- 5
- Halbleiterlichtquellen
- 11
- Schaltungsanordnung
- 12
- Wandlerschaltung
- Q1-A
- Schalter
- R1
- Widerstand
- UE
- Eingangsspannung
- IL
- Laststrom
- J3
- Erster Eingangsanschluss
- J4
- Zweiter Eingangsanschluss
