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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer LED-Anordnung auf Basis einer individuell erlernten Strom-Spannungskennlinie. Ferner betrifft die Erfindung eine Leuchtvorrichtung mit einer LED-Anordnung und einem gemäß dem Verfahren eingerichteten Steuergerät zum Ansteuern der LED-Anordnung.
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Bei Scheinwerfern moderner Fahrzeuge sind LEDs kaum mehr wegzudenken. Diese ermöglichen nicht nur die Bereitstellung lichtstarker Scheinwerfer, sondern insbesondere auch die Realisierung eines adaptiven Lichtfeldes, welches optimal an eine aktuelle Fahrzeugumgebung angepasst werden kann. So ist es beispielsweise möglich, das von den Scheinwerfern erzeugte Lichtfeld derart dynamisch anzupassen, dass entgegenkommende Fahrzeuge nicht geblendet werden.
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Um das Lichtfeld geeignet und hochaufgelöst anpassen zu können, wird als lichterzeugendes Element eine Anordnung von einer Vielzahl von LEDs verwendet, die in einer Matrix angeordnet sind. Mit dieser hier werden heutzutage bereits HD-Matrix-Module in Scheinwerfern eingesetzt, die insgesamt über 84 LEDs, auch Pixel genannt, verfügen.
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Um eine fehlerfeien Betrieb eines solchen Scheinwerfers oder jeder anderen Leuchtvorrichtung auf Basis von LEDs zu ermöglichen, ist es wichtig, dass fehlerbehaftete LEDs möglichst schnell und zuverlässig erkannt werden. Für die Ausfallerkennung wird üblicherweise eine allgemeingültige LED-Werte-Kennlinie inklusive eines dazugehörigen Toleranzbandes bzw. Toleranzbereiches verwendet. Das Toleranzband berücksichtigt LED-Bauteiltoleranzen und bildet den „best case“ bzw. den „worst case“ ab, also einen niedrigsten bzw. höchsten noch zulässigen Betriebsparameter. Bei der Verwendung mehrerer LEDs in einer LED-Anordnung, insbesondere einem LED-String, addieren sich die Toleranzen und der erforderliche Toleranzbereich für die Ausfallerkennung bei der LED-Gesamteinheit wird größer. Unter einem LED-String wird eine streifenartige Anordnung aus einer Anzahl von miteinander in Reihe verschalteten LEDs verstanden. Liegt die angelegte Spannung bzw. der angelegte Strom außerhalb des Toleranzbereiches, so wird ein Ausfall erkannt. Ein hoher Toleranzbereich der LEDs führt zu einem hohen Toleranzband der gesamten LED-Anordnung und ermöglicht nur eine relativ ungenaue Ausfallerkennung, so dass unter Umständen der Ausfall einer einzigen LED in der Anordnung gar nicht erkannt wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn beispielsweise eine einzelne LED einer LED-Anordnung mit geringer Bauteiltoleranz ausfällt, was dann nicht zuverlässig erkannt werden kann.
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So offenbart Druckschrift
US2012/0098430 A1 eine Scheinwerfer-LED-Beleuchtungsvorrichtung, die einen LED-Block mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten LEDs ansteuert, die Ausgangsspannung der Scheinwerfer-LED-Beleuchtungsvorrichtung abtastet, eine Durchschnittsspannung während jedes vorgeschriebenen Intervalls errechnet. Eine Steuerschaltung vergleicht die Spannungsänderung der Durchschnittsspannung während jedes vorgeschriebenen Intervalls mit einem vorgeschriebenen Schwellenwert und entscheidet anhand des Vergleichsergebnisses über einen LED-Ausfall des LED-Blocks.
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Druckschrift
US2017/0006671 A1 offenbart eine Lichteinrichtung, die es ermöglicht, eine kurzgeschlossene Leuchtdiode in einer Reihenschaltung mehrerer solcher Dioden zu erkennen. Durch Berücksichtigung der Sperrschichttemperatur der Dioden ermöglichen die Vorrichtung und das damit verbundene Verfahren die Vermeidung von falsch positiven Kurzschlussdetektionen. Die Vorrichtung ist außerdem in der Lage, die für die Erkennung erforderlichen Betriebsparameter selbständig und dynamisch zu erlernen, was sie besonders anpassungsfähig macht.
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Druckschrift
DE 10 2007 029 123 A1 offenbart ein System und ein Verfahren, bei denen die Kennlinien einer Leuchtdioden-Anordnung auf einfache Weise erfasst werden können. Das System weist zumindest eine Leuchtdiode auf. Eine Steuereinheit ist eingerichtet, die Leuchtdioden-Anordnung zu betreiben und den Diodenstrom und die Spannung an der Leuchtdioden-Anordnung zu erfassen, und wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, bei einer ersten Temperatur der Leuchtdioden-Anordnung zwei unterschiedliche Strom /Spannungspaare zu erfassen und danach bei zumindest einer zweiten Temperatur der Leuchtdioden-Anordnung zwei weitere Strom/Spannungspaare zu erfassen.
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Im Lichte des Vorgenannten kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem eine LED-Anordnung präzise angesteuert werden kann und Ausfälle zuverlässig detektiert werden können.
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Diese Aufgabe wird mittels der Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ansteuern einer LED-Anordnung bereitgestellt, wobei die LED-Anordnung eine Reihenschaltung mit mindestens zwei LED-Einheiten aufweist. Bei den LED-Einheiten kann es sich um einzelne LEDs handeln, aber auch um Gruppen aus einer Anzahl von zusammenhängenden LEDs. Im Rahmen dieser Beschreibung soll eine LED auch eine OLED mitumfassen, da diese hinsichtlich ihres Funktionsumfangs und ihrer Wirkweise als äquivalent betrachtet werden können.
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In einem ersten Schritt weist das Verfahren Anlegen von unterschiedlichen Betriebsströmen an die LED-Anordnung und Bestimmen der jeweils dazugehörigen Spannungen auf, wobei jeder angelegte Betriebsstrom und die dazugehörige Spannung jeweils ein Wertepaar bilden. Die sich einstellende bzw. gemessene Spannung kann einer Vorwärtsspannung der LED-Anordnung entsprechen.
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In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein Bestimmen einer Strom-Spannungskennlinie der LED-Anordnung auf Basis der ermittelten Wertepaare. Hierbei kann die Strom-Spannungskennlinie durch Interpolation der ermittelten Wertepaare zu einer Funktion bestimmt werden, ggfs. auch stückweise. Die durch freies Einstellen verschiedener Betriebsströme und durch Ermitteln der dazugehörigen, sich einstellenden Spannungen ermittelte Strom-Spannungskennlinie kann einem Selbstlern-Prozess entsprechen, bei dem ein dazugehöriges Steuergerät die individuelle Strom-Spannungskennlinie der LED-Anordnung ermittelt bzw. lernt, welche die Spezifika der verwendeten LEDs berücksichtigt. Auf diese Weise kann im Steuergerät der LED-Anordnung aus den frei definierbaren Betriebsströmen und den zurückgelesenen dazugehörigen an der LED-Anordnung anfallenden Spannungen die spezifische Strom-Spannungskennlinie der verbauten LEDs als Ensemble gebildet werden.
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In einem weiteren Schritt weist das Verfahren Anlegen eines Betriebsstromes an die LED-Anordnung auf Basis der Strom-Spannungskennlinie auf ausgehend von einer einzustellenden Spannung oder umgekehrt. Anders ausgedrückt kann der Betrieb der LED-Anordnung auf Basis der ermittelten Strom-Spannungskennlinie geregelt werden. Dieses ermöglicht beispielsweise eine genaue Berechnung der Ausgangsleistung bzw. eine genaue Ansteuerung der LED-Anordnung.
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Das Verfahren weist ferner Bestimmen einer Betriebstemperatur mindestens einer der LED-Einheiten während des Anlegens der unterschiedlichen Betriebsströme und Bestimmen eines Korrekturfaktors zu jeder bei einem angelegten Betriebsstrom gemessenen Spannung aufweisen. Der ermittelte Korrekturfaktor kann also eine Abweichung der tatsächlich gemessenen Spannung von einer theoretisch zu einem jeweiligen Betriebsstrom berechneten Spannung angeben bzw. quantifizieren. So kann der Korrekturfaktor größer als 1 sein, wenn die tatsächlich gemessene Spannung größer ist als die dazugehörige theoretisch ermittelte Spannung, und im anderen Fall kann der Korrekturfaktor kleiner als 1 sein. Die ermittelten Korrekturfaktoren können zu einer Funktion interpoliert werden.
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Diesem Aspekt der Erfindung liegt der folgende Grundgedanke zugrunde. Während der Ansteuerung der LED-Einheiten der LED-Anordnung über die (frei) definierbaren Betriebsströme erwärmen sich die LEDs. Die gemessenen Spannungswerte weichen aufgrund der temperaturabhängigen Widerstandswerte der LEDs von der generellen LED-Kennlinie ab, welche sich aus der herstellerseitigen Spezifikation der verbauten LEDs ergeben kann. Die generelle LED-Kennlinie kann beispielsweise bei Normaltemperatur (25°C) gelten. LEDs verhalten sich üblicherweise wie PTC (positive temperature coefficient) -Widerstande. Durch die steigende Temperatur steigt auch deren Widerstand, wodurch wiederum die Flussspannung sinkt. Wird während der Ansteuerung zusätzlich die Temperatur mindestens einer LED-Einheit bzw. der LED-Anordnung mittels mindestens eines Temperatur-Sensors gemessen, können mit Hilfe einer beispielsweise im Steuergerät hinterlegten Temperaturkennlinie der LEDs die gemessenen LED-Spannungswerte über einen sogenannten Temperaturkoeffizienten als Korrekturfaktor korrigiert werden. Dadurch kann final eine über die Temperatur kompensierte Strom-Spannungskennlinie der gemessenen LED-Einheiten bzw. LED-Anordnung gebildet werden.
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Das Verfahren weist ferner Bestimmen der Strom-Spannungskennlinie als eine temperaturkompensierte Storm-Spannungskennlinie auf Basis der ermittelten Wertepaare und der dazugehörigen Betriebstemperatur aufweisen. Anders ausgedrückt kann eine Temperaturkompensation der gemessenen Spannung der LED-Anordnung vorgenommen werden unter Berücksichtigung der Erwärmung beim Durchführen der Selbstlern-Funktion, also der Bestimmung der Strom-Spannungswertepaare.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann dieses in vorbestimmten Intervallen durchgeführt werden. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die verwendete Strom-Spannungskennline stets das Verhalten der konkreten LED-Anordnung möglichst genau angibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann dieses ferner Feststellen eines Fehlerfalls in der LED-Anordnung aufweisen, wenn die bei einem anliegenden Betriebsstrom gemessene Spannung außerhalb eines Toleranzbereiches um die gemäß der Strom-Spannungskennline zu dieser Betriebsspannung dazugehörigen Spannung liegt. Das Feststellen eines Fehlerfalls kann ein Erkennen eines Ausfalls mindestens einer LED-Einheit innerhalb der LED-Anordnung aufweisen. Bei Verwendung der temperaturkompensierten Strom-Spannungskennlinie kann die Ausfallerkennung sensibler sein, wodurch ein Ausfall einer LED-Einheit sicherer erkannt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann dieses ferner Anpassen des Betriebsstroms auf Basis der Betriebstemperatur der LED-Einheiten und der Strom-Spannungskennlinie ausgehend von einer vorgegebenen Ausgangsleistung der LED-Anordnung aufweisen. Dieser Schritt kann einer Absicherung der Ausgangsleistung entsprechen. Das heißt, dass beispielsweise im Betrieb aus der kontinuierlich gemessene Temperatur mindestens einer LED-Einheit, aus der gemessenen Spannung und aus dem vorgebebenen (angelegten) Betriebsstrom die Ausgangsleistung eines entsprechenden Steuergerätes ermittelt werden kann. Weicht die gewünschte oder gesetzlich geforderte Ausgangsleistung ab, kann diese kontinuierlich im Betrieb korrigiert werden.
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Eine präzise bekannte Ausgangsleistung eines Steuergerätes, welches die LED-Anordnung ansteuert, kann z.B. weitere Funktionen eines Fahrzeugs, etwa eines Elektrofahrzeugs, beeinflussen. So kann diese zum Beispiel für Reichweitenberechnungen oder -optimierung bei Elektrofahrzeugen genutzt werden. So kann zum Beispiel die Ausgangsleistung (z.B. des die LED-Anordnung ansteuernden Steuergerätes) im Rahmen der gesetzlichen Anforderungen reduziert werden, etwa im „ECO-Modus“ des Elektrofahrzeugs. Die gemäß der vorliegenden Erfindung optimierte Strom-Spannungskennlinie kann zu einer genaueren Ausgangsleistung und folglich zu einem nochmals optimierten ECO-Modus führen, etwa Erhöhung Reichweite oder geringere Reduzierung der LED-Ausgangsleistung.
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Erfindungsgemäß wird ferner eine Leuchtvorrichtung bereitgestellt, eine LED-Anordnung, welche eine Reihenschaltung mit mindestens zwei LED-Einheiten aufweist, und ein Steuergerät, welches mit der LED-Anordnung gekoppelt ist und eingerichtet ist, das hierin beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der Leuchtvorrichtung kann diese ferner mindestens einen Temperatursensor aufweisen, welcher an mindestens einer LED-Einheit angeordnet ist und mit dem Steuergerät elektrisch gekoppelt ist.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt ein Diagramm, in dem eine beispielhafte Kennlinie einer LED veranschaulicht ist.
- 2 zeigt ein Diagramm mit einer allgemeingültigen und einer individuell erlernten Kennlinie einer LED-Anordnung.
- 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung.
- 4 zeigt ein Diagramm, in dem das Prinzip der Temperaturkompensation der Kennlinie der LED-Anordnung veranschaulicht ist.
- 5 zeigt ein Diagramm, in dem eine individuell erlernte Kennlinie mit optimiertem Toleranzbereich veranschaulicht ist.
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In dem in 1 gezeigten Diagramm, bei dem auf der x-Achse 10 ein an die LED-Anordnung angelegte Betriebsstrom in Milliampere und auf der y-Achse eine resultierend an der LED-Anordnung abfallende Spannung in Volt aufgetragen ist, ist eine beispielhafte Kennlinie 12 einer LED veranschaulicht. Hierbei entspricht die Spannung einer Vorwärtsspannung. Ferner ist um die Kennlinie 12 ein Toleranzband gezeigt, welches durch eine untere Grenzlinie 13 und eine obere Grenzlinie 14 gebildet wird. Liegt bei einem anliegenden Betriebsstrom die Spannung der LED innerhalb des Toleranzbandes, kann von einer ordnungsgemäß funktionierenden LED ausgegangen werden.
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In dem in 1 gezeigten Diagramm sind drei beispielhafte Spannungswerte X1, X2, X3 eingetragen, die alle zu einem gleichen Betriebsstrom gehören. Der erste Spannungswert X1 liegt innerhalb des Toleranzbandes und repräsentiert ein Strom-Spannungswertepaar, welches eine ordnungsgemäß arbeitende LED kennzeichnet. Der zweite Spannungswert X2 liegt zwar innerhalb des Toleranzbandes, jedoch sehr nah an der unteren Grenzlinie 13, und repräsentiert ein Strom-Spannungswertepaar, welches eine möglicherweise ausgefallene LED kennzeichnet. Der dritte Spannungswert X3 liegt außerhalb des Toleranzbandes und repräsentiert ein Strom-Spanungswertepaar, welches eine ausgefallene LED kennzeichnet.
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Es sei ferner angemerkt, dass die Form der allgemeingültigen Kennlinie 12 im Falle einer LED-Anordnung, welche mehrere in Reihe verschaltete LEDs aufweist, grundsätzlich gleich bleibt. Daher sind auf der y-Achse 11 keine expliziten Spanungswerte aufgetragen, da diese mit der Anzahl der betrachteten LEDs in einer entsprechenden LED-Anordnung skalieren. Gleiches gilt für die Breite des Toleranzbandes, das durch die beiden Grenzlinien 13, 14 aufgespannt wird.
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Anhand der in 1 veranschaulichten Fälle sieht man, dass ein hoher Toleranzbereich bei einer LED zu einem großen Toleranzband führt und so nur eine sehr ungenaue Ausfallerkennung ermöglicht. Fällt eine einzelne LED einer LED-Anordnung mit geringer Bauteiltoleranz aus (in etwa Spannungswert X2), kann dies nicht sicher erkannt werden.
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Das erfindungsgemäße Prinzip, bei dem eine individuell erlernte bzw. durchgemessene Kennlinie 15 verwendet wird, ist anhand 2 veranschaulicht. Auch hier ist auf der x-Achse 10 ein Betriebsstrom in Milliampere und auf der y-Achse eine Spannung in Volt aufgetragen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine individuelle Strom-Spannungskennlinie 15 der LED-Anordnung erlernt, indem frei definierbare Betriebsströme (z.B. 11=10 mA, 12=20 mA, 13=50, mA, 14=100 mA) angelegt werden und die jeweils dazugehörigen Spannungen X1-X4 zurückgelesen werden (z.B. X1=2,21V, X2=2,32V, X3=2,5V, X4=2,61V). Im dazugehörigen Steuergerät kann dann die spezifische bzw. individuell erlernte Kennlinie 15 der verbauten LEDs bzw. der LED-Anordnung, insbesondere eines LED-Strings, abgelegt werden. Die spezifische Kennlinie 15 kann durch Interpolation der erhaltenen Messwerte Xi gebildet werden. Insbesondere bei einer genügend hohen Dichte der Samplepunkte kann im einfachsten Fall zwischen je zwei Messwerten eine linearer Verlauf angenommen werden.
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Wie einem unmittelbaren Vergleich der beiden in 2 gezeigten Kennlinien 12, 15 entnommen werden kann, weicht die Form der individuellen Kennlinie 15 deutlich von der Form der allgemeingültigen Kennlinie 12 einer LED ab.
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In 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung 1 veranschaulicht. Diese weist eine LED-Anordnung 2 auf, welche im gezeigten Beispiel vier in Reihe verschaltete LED-Einheiten 4 aufweist. Die LED-Anordnung 2 ist an ein Steuergerät 2 angeschlossen, welches eine Stromquelle aufweist und einen geregelten Ausgasstrom bereitstellen kann, welcher dem Betriebsstrom der LED-Anordnung 2 entspricht.
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In dem in 4 veranschaulichten Diagramm ist das Prinzip der Temperaturkompensation veranschaulicht, das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Das Prinzip wird hierbei auf Basis der allgemeingültigen Kennlinie 12 erläutert.
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Während der Ansteuerung der LED-Anordnung über (frei) definierbaren Ausgangsströme des dazugehörigen Steuergerätes erwärmen sich die LEDs. Die gemessenen Spannungswerte X1-X4 weichen aufgrund der temperaturabhängigen Widerstandswerte der LEDs von der allgemeingültigen Kennlinie 12 bzw. der LED-Spezifikation ab, welche üblicherweise von einer Normaltemperatur von 25°C ausgeht.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann während der Ansteuerung die Temperatur mindestens einer LED-Einheit mittels eines Temperatur-Sensors gemessen werden. Mit Hilfe einer beispielsweise im Steuergerät hinterlegten Temperaturkennlinie der verbauten LEDs, die die vom Hersteller bereitgestellt werden kann oder experimentell vor Einbau der LED-Anordnung bestimmt worden ist, können die gemessenen Spannungswerte X1-X4 über einen sogenannten Temperaturkoeffizienten 16 mit den entsprechenden Werten gemäß LED-Spezifikation in Relation gesetzt werden. Anhand der in 4 beispielhaft dargestellten Spannungswerte X1-X4 sieht man, dass die dazugehörigen Temperaturkoeffizienten 16 bei den ersten beiden tatsächlich gemessenen Spannungswerten X1 und X2 größer sind als 1 ist, da letztere größer sind als die entsprechenden Spannungswerte gemäß Spezifikation. Bei den anderen beiden tatsächlich gemessenen Spannungswerten X3 und X4 sind die Temperaturkoeffizienten 16 hingegen kleiner als 1, da letztere größer sind als die entsprechenden Spannungswerte gemäß Spezifikation. Anhand der ermittelten Temperaturkoeffizienten 16 kann eine über die Temperatur kompensierte Strom-Spannungskennlinie gebildet werden ausgehend von den messtechnisch ermittelten Spannungswerten X1-X4.
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In dem in 5 gezeigten Diagramm ist eine individuell erlernte Kennlinie 15 mit einem optimierten Toleranzbereich veranschaulicht ist. Die Grenzlinien 13, 14 legen den Toleranzbereich ohne Optimierung fest, welcher relativ breit ist. Die optimierte untere Grenzlinie 17 und die optimierte obere Grenzlinie 18 legen hingegen einen optimierten Toleranzbereich fest, bei welchem die Betriebstemperatur der LED-Einheiten berücksichtigt wird. Dieser relativ enge Toleranzbereich ermöglicht eine sensiblere Ausfallerkennung. Während der Spannungswert X1 eine innerhalb des optimierten Toleranzbereiches liegt, liegen die beiden Spannungswerte X2 und X3 außerhalb des optimierten Spannungsbereiches und repräsentieren Fälle, bei denen sicher von einem Ausfall mindestens einer LED-Einheit in der LED-Anordnung ausgegangen werden kann.
