-
Die
Erfindung betrifft ein LED-Array nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie ein LED-Modul.
-
Üblicherweise
sind derartige LED-Arrays im Betrieb mit einer Stromquelle verbunden,
die das LED-Array mit einem Betriebsstrom versorgt, wobei Betriebsstrom
bzw. Betriebsspannung fest vorgegeben sind.
-
Oftmals
ist für
ein LED-Array eine Untergrenze für
die erzeugte Strahlung spezifiziert, die nicht unterschritten werden
darf. Dies gilt insbesondere bei der Verwendungen in Signalanlagen,
wie beispielsweise Verkehrsampeln oder Bahnsignalen. Aus Gründen der
Verkehrssicherheit ist hier auf die Einhaltung der vorgeschriebenen
Untergrenzen, die sich in der Regel auf die Lichtleistung beziehen,
besonders zu achten.
-
Aufgrund
von Alterungserscheinungen sinkt bei LEDs und damit bei LED-Arrays
der genannten Art mit zunehmender Betriebsdauer die Strahlungsausbeute.
Um die Einhaltung von vorgegebenen Untergrenzen während der
gesamten Lebensdauer eines LED-Arrays zu gewährleisten, ist zum Beispiel eine Überdimensionierung
des LED-Arrays oder ein Betrieb mit einer erhöhten Betriebsspannung erforderlich.
Diese Maßnahmen
sind jeweils so zu bemessen, dass auch im ungünstigsten Fall gegen Ende der
Lebensdauer eine ausreichende Lichtleistung über der vorgegebenen Untergrenze
erreicht wird. Dabei wird in Kauf genommen, dass zu Beginn des Betriebs
wesentlich mehr Licht erzeugt wird, als für die vorgesehene Funktion
des LED-Arrays erforderlich wäre.
Zudem steigen einerseits durch eine Überdimensionierung eines LED-Arrays
dessen Herstellungskosten, andererseits führt eine erhöhte Betriebsspannung
zu höheren
Betriebskosten und möglicherweise
zu einer beschleunigten Alterung.
-
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein LED-Array für eine verbesserte Ansteuerung
zu entwickeln. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein LED-Array
zu schaffen, das auch im Langzeitbetrieb eine möglichst konstante Strahlungsleistung
aufweist. Weiterhin soll ein LED-Modul mit einem solchen LED-Array entwickelt
werden.
-
Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei dem LED-Array einen Ausgang
vorzusehen, über den
optischen Parameter des LED-Arrays wie beispielsweise die Strahlungsleistung
an eine Stromversorgungseinheit rückgemeldet werden kann.
-
Erfindungsgemäß umfaßt das LED-Array eine
Mehrzahl von LED-Ketten,
die parallel geschalten sind, wobei das LED-Array mindestens einen Ausgang
für eine
Rückmeldung
der erzeugten Strahlungsleistung an eine Stromversorgungseinheit
aufweist.
-
Dabei
ist eine Referenz-LED-Kette mit mehreren LEDs vorgesehen, deren
optische Parameter, beispielsweise die Strahlungsleistung, mittels
eines photoempfindlichen Bauelements detektiert und in ein elektrisches
Messsignal umgewandelt werden, das an dem Ausgang zur Rückmeldung
an die Stromversorgungseinheit zur Verfügung steht.
-
Mittels
der Stromversorgungseinheit kann anhand dieses Messsignals die Betriebsspannung bzw.
der Betriebsstrom so eingestellt werden, dass eine weitgehend konstante
Strahlungsleistung erreicht und insbesondere eine vorgegebene Untergrenze
für die
Strahlungsleistung nicht unterschritten wird.
-
Insgesamt
ergibt sich so eine optimale Aussteuerung des LED-Arrays.
-
Vorteilhafterweise
muss ein solches LED-Array zu Beginn des Betriebs nicht weit über den
Mindestanforderungen betrieben werden. Dadurch ergibt sich von Beginn
an eine niedrigere Bestromung, die zu einer höheren Lebensdauer des LED-Arrays
führt. Zudem
ist der Betrieb des Moduls aufgrund des geringeren elektrischen
Leistungsbedarfs kostengünstiger.
-
Die
Nachführung
der Bestromung entsprechend der optischen Parameter wie beispielsweise der
Strahlungsleistung stellt sicher, dass die optischen Mindestanforderungen
während
der gesamten Lebensdauer wesentlich zuverlässiger als bei herkömmlichen
LED-Arrays mit fest vorgegebenen Werten für Betriebsspannung bzw. Betriebsstrom
eingehalten werden.
-
Die
LEDs sind bei der Erfindung vorzugsweise oberflächenmontierbare LEDs, die LED-Module mit
einer hohen Packungsdichte und einer entsprechend hohen Leuchtdichte
ermöglichen.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Referenz-LED-Kette
eine Serienschaltung mehrerer LEDs. Eine Referenz-LED-Kette mit
mehreren LEDs hat den Vorteil, dass das Alterungsverhalten der Referenz-LEDs
als Gesamtheit dem Alterungsverhalten des LED-Moduls näher kommt
als eine einzelne LED. Insbesondere werden so statistische Schwankungen
der LED-Parameter und Fertigungstoleranzen der LEDs besser ausgeglichen.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, das LED-Array so ausbilden, dass das photoempfindliche
Bauelement nur die von der Referenz-LED-Kette erzeugte Strahlung
detektiert. Es werden so den LED-Ketten einerseits und der Referenz-LED-Kette
andererseits unterschiedliche Funktionen zugeordnet: Die Referenz-LED-Kette
dient im wesentlichen, vorzugsweise ausschließlich der Überwachung der optischen Parameter,
während
die anderen LED-Ketten im wesentlichen, vorzugsweise ausschließlich der
Strahlungserzeugung, beispielsweise für Beleuchtungs- oder Signalzwecke
dienen. Diese Unterteilung der Funktionen hat den Vorteil, dass
nicht die Strahlungserzeugung bei allen LED-Ketten gleichzeitig überwacht werden
muss, was bei größeren LED-Arrays
zu einem erheblichen technischen Aufwand führen kann. Insbesondere kann
die Referenz-LED-Kette zusammen mit dem photoempfindlichen Bauelement
von den anderen LED-Ketten separiert werden, da bei der Referenz-LED-Kette
eine Abstrahlung nach außen
weder erforderlich noch wünschenswert
ist. Umgekehrt bedeutet dies, dass vorteilhafterweise die Überwachung
der optischen Parameter durch von außen einfallendes Fremdlicht
wie beispielsweise Sonnenstrahlung nicht verfälscht wird. Wird lediglich die
von dem LED-Array erzeugte Strahlung insgesamt detektiert, so sind
in der Regel besondere Vorkehrungen zu treffen, die eine solche
Verfälschung durch
Fremdlicht unterbinden.
-
Die
Separation der Referenz-LED-Kette von den anderen LED-Ketten kann dadurch
erreicht werden, dass bei dem LED-Array eine Umhüllung mit einer Strahlungsaustrittsöffnung vorgesehen
ist, durch die nur die Strahlung der LED-Ketten, nicht aber die Strahlung
der Referenz-LED-Kette emittiert wird.
-
Eine
weitere Möglichkeit
zur Separation besteht darin, für
die LED-Ketten eine gemeinsame Hauptabstrahlungsrichtung vorzusehen,
die sich von einer der Referenz-LED-Kette zugeordneten Referenzabstrahlungsrichtung
unterscheidet. Beispielsweise können
die LED-Ketten einerseits und die Referenz-LED-Kette andererseits
auf verschiedenen Seiten einer Leiterplatte angeordnet sein, so
dass die Hauptabstrahlungsrichtung und die Referenzabstrahlungsrichtung
in entgegengesetzte Richtungen weisen.
-
Zur
Separation der Referenz-LED-Kette von den anderen LED-Ketten ist eine Blende
vorgesehen, die die Referenz-LED-Kette zusammen mit dem photoempfindlichen
Bauelement abdeckt. Damit wird insbesondere verhindert, dass die
Detektion der von der Referenz-LED-Kette erzeugten Strahlung durch Strahlung
von außen
verfälscht
wird. Hierbei ist es vorteilhaft, die der Referenz-LED-Kette zugewandte Seite
der Blende mit einer diffus reflektierenden Oberfläche oder
Beschichtung zu versehen. Damit wird der zur Detektion zur Verfügung stehende
Strahlungsanteil erhöht.
Ferner wird die Mittelung über
die von den einzelnen LEDs erzeugten Strahlungsanteile und in der
Folge der Ausgleich der oben genannten statistische Schwankungen
der LED-Parameter und der Fertigungstoleranzen verbessert.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das LED-Array
eine Konverterschaltung, die mit dem photoempfindlichen Bauelement verbunden
ist und das Messsignal erzeugt. Als photoemfindliches Bauelement
kann beispielsweise eine Photodiode, insbesondere eine PIN-Photodiode, dienen.
Mittels der Konverterschaltung wird in Abhängigkeit von der von dem photoempfindlichen
Bauelement detektierten Strahlung eine Spannung erzeugt, mit der
eingangsseitig ein Ausgangskoppler, vorzugsweise ein Optokoppler,
angesteuert wird. An den ausgangsseitigen Anschlüssen des Ausgangskopplers liegt
dann das Messsignal zur Rückmeldung
an die Stromversorgungseinheit an. Bei einem Optokoppler kann je
nach Ausführung
beispielsweise der Widerstand zwischen den ausgangsseitigen Anschlüssen oder
ein im Optokoppler generierter Photostrom als Messsignal herangezogen
werden.
-
Bei
einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist eine Photodiode in
Serie mit einem Vorwiderstand geschaltet, so dass an dem Vorwiderstand
eine Spannung abfällt,
die zu dem von der Photodiode erzeugten und von der detektierten
Strahlung abhängigen
Photostrom proportional ist. Mit dieser Spannung wird die Basis
eines Transistors angesteuert, dessen Emitter über eine Zenerdiode mit einem
ersten Bezugspotential und dessen Kollektor über einen Kollektorwiderstand
mit einem zweiten Bezugspotential verbunden ist. Bei einem npn-Transistor ist das
zweite Bezugspotential größer, bei
einem pnp-Transistor kleiner als das erste Bezugspotential. Weiterhin
ist als Ausgangskoppler ein Optokoppler vorgesehen, dessen Eingangsseite,
beispielsweise dessen eingangsseitige LED, parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors geschaltet ist.
-
Durch
den Vorwiderstand wird ein Schwellwert für die zu detektierenden Strahlung
festgelegt. Unterhalb dieses Schwellwerts sperrt der Transistor und
durch die Eingangsseite des Optokopplers fließt ein durch den Kollektorwiderstand
und die Zenerdiode bestimmter Strom. Der Schwellwert wird überschritten,
wenn der von der Photodiode erzeugte Photostrom so groß ist, dass
die am Vorwiderstand abfallende Spannung die Summe der Zenerspannung
und der Basis-Emitter-Spannung (letztere beträgt typischerweise etwa 0,65
V) übersteigt.
Dann fließt
ein Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors, d.
h. der Transistor schließt
teilweise den Eingang des Optokopplers kurz, so dass der Strom durch
den Optokoppler verringert wird. Entsprechend ändert sich der Ausgangswiderstand
des Optokopplers. Diese Widerstandsänderung dient als Messsignal
zur Steuerung der Stromversorgungseinheit.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zu
jeder LED-Kette und zu der Referenz-LED-Kette jeweils eine Regelungsanordnung
zur Regelung einer vorgegebenen Stromverteilung auf die einzelnen
LED-Ketten bzw. die Referenz-LED-Kette in Serie geschaltet. Vorteilhafterweise
wird damit vermieden, dass die Ströme in den einzelnen LED-Ketten aufgrund unterschiedlicher Durchlassspannungen
der einzelnen LEDs oder einem Kurzschluss einer LED zu stark von
den vorgegebenen Sollstromstärken
abweichen.
-
Vorzugsweise
umfassen diese Regelungsanordnungen jeweils eine Stromverstärkungsschaltung
zur Einprägung
eines vorgegebenen Betriebstroms in die LED-Ketten gemäß der vorgegebenen
Stromverteilung. Die Stromverstärkungsschaltungen
können
dabei Regelungseingänge
zur Regelung des jeweiligen Stroms in der LED-Kette aufweisen, wobei
die Regelungseingänge
bevorzugt miteinander verbunden sind und auf demselben Potential liegen.
-
Im
Rahmen der Erfindung ist weiterhin ein LED-Modul vorgesehen, das
ein erfindungsgemäßes LED-Array
sowie eine Stromversorgungseinheit umfaßt, wobei das LED-Array Versorgungsanschlüsse aufweist,
mit denen die Stromversorgungseinheit ausgangsseitig verbunden ist.
Die Stromversorgungseinheit besitzt einen Steuereingang zur Steuerung
der ausgangsseitigen Betriebsspannung bzw. des ausgangsseitigen
Betriebsstroms, mit dem das LED-Array versorgt wird. Dabei ist der
Ausgang des LED-Arrays, an dem das Messignal zur Rückmeldung
der erzeugten Strahlung anliegt, mit dem Steuereingang der Stromversorgungseinheit
verbunden. Vorteilhafterweise können
bei einem solchen LED-Modul
mittels der Rückmeldung
der erzeugten Strahlung an die Stromversorgungseinheit die Betriebsparameter
wie Betriebsstrom und Betriebsspannung so nachgeführt werden,
dass über
die gesamte Lebensdauer eine nahezu konstante optische Leistung
erreicht bzw. eine mit zunehmender Alterung auftretende Abnahme
der Strahlungseffizienz bei den LED-Ketten ausgeglichen wird.
-
Die
Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in Signalanlagen wie Verkehrsampeln
oder Bahnsignalanlagen geeignet. Hier ist von besonderem Vorteil,
dass bei der Erfindung eine nahezu konstante Strahlungsleistung
und damit die Einhaltung vorgeschriebener Untergrenzen für die Strahlungsleistung
für die
gesamte Lebensdauer gewährleistet ist,
ohne dass eine Überdimensionierung
oder eine überhöhte Strahlungserzeugung
zu Beginn der Lebensdauer erforderlich ist.
-
Weitere
Merkmale Vorzüge
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den 1 bis 7.
-
Es
zeigen
-
1 ein
schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LED-Moduls,
-
2 ein
schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LED-Arrays,
-
3 eine
schematische perspektivische Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen LED-Arrays,
-
4 ein
schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LED-Arrays,
-
5 ein
schematisches Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LED-Arrays,
-
6 ein
schematisches Schaltbild eines fünften
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen LED-Arrays,
und
-
7 ein
schematisches Schaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen LED-Arrays.
-
Gleiche
oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen
versehen.
-
Das
in 1 gezeigte Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 1 umfaßt ein LED-Array 2 und
eine Stromversorgungseinheit 3 (Power Supply). Das LED-Array 2 wird
im nachfolgend noch genauer beschrieben.
-
Die
Eingänge 4 der
Stromversorgungseinheit 3 sind mit einer allgemein verfügbaren Stromquelle,
beispielsweise einem öffentlichen
Stromnetz 14 verbunden. Die Stromversorgungseinheit 3 wandelt
die eingangseitige Spannung so um, dass an den Ausgängen 5 eine
Spannung zur Verfügung
steht, die zum Betrieb eines LED-Arrays geeignet ist. Dazu ist es
in der Regel erforderlich, die eingangsseitig anliegende Spannung
herunterzutransformieren und gleichzurichten bzw. den Betriebsstrom
zu glätten.
-
Typischerweiser
liegt die Durchlassspannung einer einzelnen LED im Bereich von 1
V bis 5 V, so dass je nach Anzahl der LEDs in den LED-Ketten eine
Spannung zwischen 5 V und 30 V, also im Niederspannungsbereich zum
Betrieb des LED-Arrays geeignet ist. Je nach Art und Anzahl der
LEDs können
dabei Betriebsströme
bis zu mehreren Ampere fließen.
Dies trifft insbesondere auf LED-Module für Signalanlagen zu, die auch
bei Tageslicht und ungünstigen
Lichtverhältnissen
weithin sichtbar sein müssen
und eine entsprechend große
Zahl von LEDs aufweisen.
-
Das
LED-Array 2 weist Ausgänge 6 auf, über die
ein elektrisches Messsignal, das von der von dem LED-Array erzeugten
Strahlung abhängt,
an die Stromversorgungseinheit 5 übertragen wird. Die Stromversorgungseinheit 5 ist
so gestaltet, dass der Betriebsstrom bzw. die Betriebsspannung des LED-Arrays 2 entsprechend
dem elektrischen Messsignal nachgeführt wird. Insgesamt wird damit
eine konstante Strahlungsleistung erreicht, die insbesondere auch
bei Alterung der LEDs und einer damit einhergehenden Verminderung
der Strahlungseffizienz nahezu unverändert bleibt. Dies gilt selbstverständlich nur,
solange der Verlust an Strahlungseffizienz durch eine Erhöhung der
Betriebsparameter ausgleichbar ist.
-
2 zeigt
schematisch ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen LED-Arrays 2.
Das LED-Array 2 weist eine Mehrzahl von parallel geschalteten LED-Ketten
LK1, LK2 ... LKn, d. h. LED-Serienschaltungen,
auf.
-
Im
Rahmen der Erfindung ist unter einer Parallelschaltung der LED-Ketten
bzw. der Referenz-LED-Kette eine anodenseitige oder kathodenseitige
Verbindung der LED-Ketten zu verstehen. Dabei ist es möglich, aber
nicht zwingend erforderlich, dass die LED-Ketten anodenseitig und
kathodenseitig verbunden sind.
-
Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die LED-Ketten LK1, LK2, ... LKn anodenseitig verbunden. Um
eine optimale Stromverteilung auf die einzelnen LED-Ketten zu erzielen,
ist eine optionale Stromverteilungsschaltung 7 vorgesehen.
Dabei ist zu jeder LED-Kette jeweils eine Regelungsanordnung RA1,
RA2, ..., RAn in Serie geschaltet. Diese Regelungsanordnungen dienen
dazu, die Ströme
in den LED-Ketten gemäß einer
vorgegebenen Stromverteilung aufzuteilen. Die Regelungsanordnungen sind
im einzelnen im Zusammenhang mit den in 5 bis 7 gezeigten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Parallel
zu den LED-Ketten LK1, LK2, ... LKn ist eine Referenz-LED-Kette LKR angeordnet.
Diese Referenz-LED-Kette LKR ist entsprechend den anderen LED-Ketten
bestückt
und mit einer Regelungsanordnung RAR in Serie geschaltet. Anhand
der Referenz-LED-Kette wird exemplarisch die Strahlungserzeugung
der anderen LED-Ketten mittels eines photoempfindlichen Bauelements
in Form einer Photodiode PD, vorzugsweise einer PIN-Photodiode überwacht.
-
Die
Verwendung einer gesonderten Referenz-LED-Kette LKR zur Überwachung
der Strahlungserzeugung hat den Vorteil, dass die Referenz-LED-Kette
LKR, die im Gegensatz zu den übrigen
LED-Ketten LK1,
LK2, ... LKn nicht der gemeinsamen Strahlungserzeugung oder Beleuchtungszwecken
dient, zusammen mit der Photodiode PD von den übrigen LED-Ketten separiert
und so eine Störung,
beispielsweise durch von Fremdlicht, effizient unterdrückt werden
kann. Bei der unmittelbaren Detektion der von dem LED-Array erzeugten
Gesamtstrahlung müßten hierzu
besondere Vorkehrungen getroffen werden, die die Abstrahlcharakteristik des
LED-Arrays beeinträchtigen
können.
-
Bevorzugt
weisen bei der Erfindung die Referenz-LED-Kette LKR und zumindest
eine der LED-Ketten LEDs desselben Typs auf, die insbesondere aus
derselben Fertigungscharge stammen. Dadurch wird gewährleistet,
dass die LEDs der Referenz-LED-Kette
ein ähnliches
Alterungsverhalten zeigen wie die übrigen LEDs, so dass eine alterungsbedingte
Verminderung der Strahlungsleistung bei der Referenz-LED-Kette auch
signifikant für
eine entsprechende Alterung der übrigen
LED-Ketten LK1, LK2,
... LKn ist.
-
Mittels
einer Konverterschaltung 8, umfassend einen Widerstand
RPD, einen Transistor TC mit einem Kollektorwiderstand RC und eine
Zenerdiode ZD im Emitterzweig sowie einen Ausgangskoppler in Form
eines Optokopplers OC, wird die von der Photodiode PD detektierte
Strahlung in ein elektrisches Messsignal umgewandelt, das an dem
Ausgang 6 des LED-Arrays anliegt.
-
Dazu
ist die Photodiode PD mit dem Widerstand RPD in Serie geschaltet,
an dem eine Spannung abfällt,
die zu dem von der Photodiode PD erzeugten Photostrom proportional
ist und somit von der Strahlungsleistung der Referenz-LED-Kette
LKR abhängt.
-
Anodenseitig
ist die Photodiode PD mit der Basis des Transistors TC verbunden,
so dass die an dem Widerstand RPD abfallende Spannung gleich der
Basisspannung des Transistor TC ist. Parallel zur Kollektor-Emitterstrecke
des Transistors ist die eingangsseitige LED des Optokopplers OC
geschaltet.
-
Der
Widerstand RPD legt dabei einen Schwellwert für die Strahlungsleistung der
Referenz-LED-Kette fest. Dieser Schwellwert ist durch denjenigen
Photostrom bestimmt, der an dem Widerstand eine Spannung abfallen
läßt, die
gleich der Summe der Zenerspannung der Zenerdiode ZD und der Basis-Emitter-Spannung
des durchgeschalteten Transistors TC, typischerweise 0,65 V, ist.
-
Ist
die Strahlungsleistung geringer als der Schwellwert, so fällt an dem
Widerstand eine Spannung ab, die kleiner als die genannte Summe
ist, und der Transistor sperrt. Durch die eingangsseitige LED des
Optokopplers OC fließt
dann ein durch die Zenerdiode ZD und den Kollektorwiderstand RC
vorgegebener Strom, resultierend in einem entsprechenden Kollektor-Emitter-Widerstand
des ausgangsseitigen Phototransistors. Dieser Kollektor-Emitter-Widerstand
dient als elektrisches Messsignal, das über die Ausgänge 6 an
die Stromversorgungseinheit zurückgemeldet
wird.
-
Steigt
die optische Leistung der Referenz-LED-Kette über den Schwellwert, so öffnet der Transistor
und schließt
die eingangsseitige LED des Optokopplers OC zumindest teilweise
kurz. Damit sinkt der durch eingangsseitige LED fließende Betriebsstrom
und der Kollektor-Emitter-Widerstand des ausgangsseitigen Phototransistors
steigt. Diese Widerstandsänderung
wird über
die Ausgänge 6 an die
Stromversorgungseinheit übertragen,
die hierauf mit einer Verringerung des Betriebsstroms reagiert.
-
Sinkt
im entgegengesetzten Fall die optische Leistung der Referenz-LED-Kette
und damit der Strahlungseinfall auf die Photodiode PD, so sperrt der
Transistor TC und es wird mehr Strom über den Optokoppler OC abgeführt, was
zu einer Verkleinerung des Kollektor-Emitter-Widerstandes des ausgangsseitigen
Phototransistors im Optokoppler führt. Diese Verringerung des
Widerstands bewirkt bei der Stromversorgungseinheit eine Erhöhung des
Betriebsstroms.
-
3 zeigt
schematisch eine beispielhafte räumliche
Anordnung der LEDs 9 der Referenz-LED-Kette LKR und eines
photoempfindlichen Bauteils bei einem zweiten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen LED-Arrays.
Die LEDs 9 der Referenz-LED-Kette, bevorzugt oberflächenmontierbare
LEDs, und das photoempfindliche Bauteil 10, beispielsweise
eine Photodiode, sind auf eine gemeinsame Leiterplatte 10 montiert.
-
Die
LEDs 9 sind um das photoempfindliche Bauteil herum angeordnet,
so dass die von den LEDs 9 der Referenz-LED-Kette LKR erzeugte
Strahlung zuverlässig
und reproduzierbar von dem photoempfindlichen Bauelement 10 detektiert
wird. Selbstverständlich
kann das photoempfindliche Bauelement 10 auch an einem
anderen Ort, der im Lichtkegel mindestens einer Referenz-LED liegt,
positioniert sein.
-
In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen LED-Arrays
ist im Schnitt dargestellt. In Erweiterung des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels
sind die LEDs 9 der Referenz-LED-Kette LKR zusammen mit
dem photoempfindlichen Bauelement PD mit einer gemeinsamen Blende 12 abgedeckt
bzw. eingekapselt, die das photoempfindliche Bauelement vor Fremdlichteinstrahlung,
beispielsweise durch Sonnenlicht, schützt. Dies verhindert, dass
das Messsignal durch Fremdlicht verfälscht wird.
-
Vorzugsweise
weist die Blende 12 auf der den LEDs 9 zugewandten
Seite eine diffus reflektierende Oberfläche oder Beschichtung auf.
Damit wird die auf das photoempfindliche Bauteil PD einfallende Strahlung
und in der Folge der optische Wirkungsgrad und die Genauigkeit bei
der Rückmeldung
an die Stromversorgungseinheit erhöht.
-
Die
in den 5, 6 und 7 dargestellten
Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer LED-Arrays
betreffen insbesondere die in 2 bereits
schematisch dargestellte Stromverteilungsschaltung 7. Hierbei
handelt es sich um eine Schaltungsanordnung zur Aufteilung eines
Gesamtstromes auf die einzelnen parallel geschalteten LED-Ketten
LK1, LK2, ... LKn des LED-Arrays 2.
-
Bei
einer Parallelschaltung von LED-Ketten können bereits kleine Unterschiede
der Durchlassspannungen bei den einzelnen LEDs bzw. kleine Änderungen
der Durchlassspannungen aufgrund der steilen U-I-Kennlinie von LEDs
eine große
Stromänderung
in den LED-Ketten bewirken, die zu einer großen Abweichung der Stromstärke von
einem vorgegebenen Sollwert in den einzelnen LED-Ketten führen kann.
-
Um
dem entgegenzuwirken, sind bei herkömmlichen Parallelschaltungen
von LED-Ketten oftmals in Serie zu den LED-Ketten geschaltete Widerstände vorgesehen.
Diese Widerstände
führen
zu einer insgesamt flacheren U-I-Kennlinie der LED-Ketten, wodurch
eine gewisse Limitierung des Stroms in den einzelnen LED-Ketten
erreicht wird. Mit steigenden Anforderungen an die Genauigkeit der
Stromverteilung auf die einzelnen LED-Ketten wachsen allerdings
auch die Widerstandswerte bzw. die an den Widerständen abfallenden
Spannungen, die dann typischerweise etwa in der Größenordnung
der an den LEDs abfallenden Spannung liegen. Dies führt zu einer
deutlichen Verschlechterung des optischen Wirkungsgrades des Gesamtsystems
und in der Folge zu einem energetisch unwirtschaftlichen Betrieb.
-
Als
alternative Lösung
des oben geschilderten Problems ist eine sehr feine Gruppierung
der LEDs hinsichtlich der Durchlassspannungen möglich. Dies bringt jedoch zusätzliche
Kosten mit sich, da eine entsprechende Logistik und Lagerhaltung
für die
LEDs erforderlich ist. Ferner ist die Durchlassspannung einer LED
temperaturabhängig,
wobei bei verschiedenen LEDs auch unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten
auftreten können,
so dass die genannte Gruppierung im Falle einer Temperaturänderung
das geschilderte Problem nur teilweise löst.
-
Eine
extreme Veränderung
der Durchlassspannung bei einer LED-Kette kann auch dadurch verursacht werden,
dass bei einer LED ein Kurzschluss auftritt oder eine LED zu einer
Unterbrechung der LED-Kette führt,
die LED beispielsweise "durchbrennt". Dies führt in der
Regel bei einer Stromeinstellung mittels seriell geschalteter Widerstände zu einer
starken Umverteilung der Ströme
in den LED-Ketten.
-
Daher
ist es wünschenswert,
eine für
das LED-Array vorgesehene Stromaufteilung auch bei Veränderung
der Durchlassspannung in den einzelnen Ketten so weit wie möglich aufrechtzuerhalten.
-
Bei
dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird dieses
Problem dadurch gelöst,
dass zu jeder LED-Kette LK1, LK2, ... LKn eine Regelungsanordnung
RA1, RA2, ... RAn in Serie geschaltet ist. Die Regelungsanordnungen
RA1, RA2, ... RAn umfassen jeweils eine Stromverstärkungsschaltung,
mittels der der Strom durch die einzelnen LED-Ketten LK1, LK2, ...
LKn eingestellt wird.
-
Bei
einer solchen Schaltungsanordnung ist vorteilhafterweise die Stromstärke im wesentlichen konstant
und schwankt nur noch in der Größenordnung
weniger mA. Auch eine deutliche Veränderung der Durchlassspannung
in einer LED-Kette, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses
einer LED, führt
vorteilhafterweise nicht zum Zusammenbruch der Stromaufteilung.
Eine kostenträchtige Gruppierung
der LEDs nach Durchlassspannung entfällt damit. An den Regelungsanordnungen
fällt jeweils
nur eine vergleichsweise geringe Spannung ab, was vor allem bei
längeren
LED-Ketten zu einem energetisch vorteilhaften Gesamtsystem führt.
-
Im
einzelnen sind bei dem in 5 gezeigten
Ausführungsbeispiel
eine Mehrzahl von LED-Ketten LK1, LK2, ... LKn mit jeweils mehreren
LEDs 13 durch eine anodenseitige Verbindung parallel geschaltet.
Seriell ist jede LED-Kette über
eine optionale Sicherung Fu1, Fu2, ... Fun, die beispielsweise als Schmelzwiderstand
ausgeführt
sein kann, mit einer Regelungsanordnung RA1, RA2, ... RAn verbunden.
-
Die
Regelungsanordnungen umfassen jeweils einen npn-Transistor T1, T2, ... Tn, dessen Kollektoranschluss
C1, C2, ... Cn mit der Kathodenseite der zugehörigen LED-Kette bzw. der gegebenenfalls dazwischengeschalteten
Sicherung Fu1, Fu2, ... Fun verbunden ist und dessen Emitteranschluss
E1, E2, ... En jeweils über
einen Emitterwiderstand R12, R22, ... Rn2 an den Minuspol einer
Versorgungsspannung Uv angeschlossen ist.
-
Zwischen
der Kathodenseite jeder LED-Kette LK1, LK2, ... LKn bzw. der optionalen
Sicherung Fu1, Fu2, ... Fun und dem jeweiligen Basisanschluss des
zugehörigen
Transistors T1, T2, ... Tn ist eine Serienschaltung aus einer Diode
D1, D2, ... Dn und einem Widerstand R11, R21, ... Rn1 geschaltet.
Die Basisanschlüsse
B1, B2, ... Bn der Transistoren T1, T2, ... Tn sind untereinander
verbunden.
-
Im
Betrieb fällt
an den Emitterwiderständen R12,
R22, ... Rn2 bei einem Emitterstrom I1, I2, ... In eine Spannung
Rx2·Ix,
x = 1, 2 ... n, ab. An den Basis-Emitter-Strecken der Transistoren
T1, T2, ... Tn tritt ein Spannungsabfall von etwa 0,65 V auf, so
dass in Summe die Transistorbasen jeweils auf einem Potential Rx2·Ix + 0,65
V, x = 1, 2 ... n, über
der negativen Versorgungsspannung liegen. Da die Transistorbasen
untereinander elektrisch verbunden sind, wird über die Transistoren T1, T2,
... Tn der Strom durch die verschiedenen Emitterwiderstände R12,
R22, ... Rn2 so verteilt, dass die jeweilige Potentialdifferenz zwischen
den Transistorbasen und der negativen Versorgungsspannung bei den
Regelungsanordnungen RA1, RA2, ... RAn gleich ist.
-
Gegenüber den
Emitterströmen
sind die Basisströme
in der Regel vernachlässigbar,
d. h. die Emitterströme
sind etwa gleich den Kollektorströmen, so dass durch die beschriebene
Einstellung der Emitterströme
zugleich der Kollektorstrom bzw. der Strom in der zugehörigen LED-Kette
festgelegt ist. Insgesamt werden so die Ströme in den LED-Ketten durch
die Emitterwiderstände
R12, R22, Rn2 festgelegt, wobei die Ströme jeweils umgekehrt proportional
zu den Emitterwiderständen
sind.
-
Soll
ein Gesamtstrom gleichmäßig auf
die verschiedenen Ketten aufgeteilt werden, so müssen alle Emitterwiderstände denselben
Widerstandswert aufweisen. Aber auch eine davon abweichende, unterschiedliche
Bestromung der LED-Ketten kann durch unterschiedliche Werte der
Emitterwiderstände ohne
besonderen Aufwand realisiert werden.
-
Die
Versorgung der Basiseingänge
der Transistoren T1, T2, ... Tn erfolgt jeweils über die Dioden D1, D2, ...
Dn und die Widerstände
R11, R21, ... Rn1. Den Dioden Dx kommt hierbei eine Doppelfunktion zu:
Einerseits stellen die Dioden stabile Betriebsbedingung für die Transistoren
sicher, andererseits unterdrücken
sie Querströme
zwischen den einzelnen LED- Ketten.
Ansonsten könnten
Potentialunterschiede in den einzelnen LED-Ketten, die beispielsweise von
unterschiedlichen Durchlassspannungen in den LED-Ketten, etwa auch
wegen einer kurzgeschlossenen LED, hervorgerufen sein können, dazu
führen, dass über die
gemeinsame Verbindung der Transistorbasen B1, B2, ... Bn ein Strom
von einer LED-Kette in eine andere LED-Kette fließt.
-
An
den Dioden D1, D2 ... Dn muss dabei eine so große Spannung abfallen, dass
die Transistoren in einen stabilen Betriebszustand gelangen. Als
Dioden D1, D2 ... Dn können
auch LEDs verwendet werden, die dann zusätzlich als Indikator für unterschiedliche Durchlassspannungen
in den einzelnen Ketten dienen können.
-
Die
Widerstände
R11, R21, ... Rn1 in den jeweiligen Kollektor-Basis-Verbindungen müssen nicht zwangsläufig denselben
Wert aufweisen. Für
eine optimale Zuverlässigkeit
und Symmetrie der Anordnung ist es jedoch vorteilhaft, gleiche Widerstände R11,
R21, ... Rn1 vorzusehen.
-
Bei
der gezeigte Schaltung ist es von Vorteil, dass die Ströme für die Basiseingänge B1,
B2, ... Bn der Transistoren T1, T2, ... Tn über die Dioden D1, D2, ...
D2n und die Widerstände
R11, R2, ... Rn1 direkt von den Strömen in den zugehörigen LED-Ketten LK1, LK2,
... LKn abgezweigt werden. Dadurch wird eine hohe Stabilität der Schaltung
gegenüber fertigungsbedingten
Schwankungen der Stromverstärkungsfaktoren,
d. h. dem Verhältnis
von Kollektorstrom zu Basisstrom der Transistoren, gewährleistet.
Die LED-Kette mit der höchsten
Durchlassspannung bestimmt den Arbeitspunkt der Schaltung, wobei
für jeden
Transistor T1, T2, ... Tn ein stabiler Betriebszustand sichergestellt
ist.
-
Vorteilhafterweise
wird von jeder LED-Kette ein Teilstrom zur Steuerung abgezweigt,
wodurch wird die Zuverlässigkeit
des Systems erhöht
wird. Bei Verwendung von Emitterwiderständen mit einer Toleranz von
1% ergibt sich eine Basisstromschwankung von lediglich 2% und damit
eine Stromverteilung mit hoher Genauigkeit.
-
Die
bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in
Serie zu den LED-Ketten geschalteten Sicherungen Fu1, Fu2, ... Fun
sind optional und insbesondere bei Anwendungen mit erhöhten Sicherheitsanforderungen
vorteilhaft. Vorzugsweise sind die Sicherungen als Schmelzwiderstände ausgeführt.
-
Falls
aufgrund einer Störung
ein zu hoher Strom, beispielsweise der doppelte Sollstrom, durch eine
LED-Kette fließt,
brennt die entsprechende Sicherung und schaltet so die LED-Kette
zuverlässig und
definiert ab. Auf die verbleibenden intakten LED-Ketten werden weiterhin
die Ströme
entsprechend der vorgegebenen Stromverteilung aufgeteilt.
-
Dabei
fließen über die
Widerstände
R11, R21, ... Rn1 der noch intakten LED-Ketten zusätzliche
Ströme,
um an dem Emitterwiderstand der defekten LED-Kette den erforderlichen
Spannungsabfall aufrechtzuerhalten. Diese Zusatzströme bewirken
einen erhöhten
Gesamtspannungsabfall am LED-Array, der von einer Ansteuerung oder
Stromversorgungseinheit erkannt und entsprechend ausgewertet werden
kann.
-
Die
Referenz-LED-Kette LKR ist in der gleichen Art und Weise wie die übrigen LED-Ketten
mit einem optionalen Schmelzwiderstand FuR und einer Regelungsanordnung
RAR, umfassend einen Transistor TR mit einem Emitterwiderstand RR2
und einer Kollektor-Basis-Verbindung mit einem Widerstand RR1 und
einer Diode DR, in Serie geschaltet. Entsprechend wird wie vorhergehend
beschrieben auch die Referenz-LED-Kette nach Maßgabe des Emitterwiderstands
RR2 bestromt, so dass hinsichtlich der Stromaufteilung die Referenz-LED-Kette
sich nicht von den übrigen
LED-Ketten unterscheidet.
-
Zur
Rückmeldung
der Strahlungsleistung ist wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
als photoempfindliches Bauelement eine Photodiode vorgesehen. Mittels
des in Serie geschalteten Widerstands RPD wird der von der Photodiode erzeugte
Photostrom in eine Spannung umgewandelt, die an dem Ausgang 6' anliegt und
als elektrisches Messignal für
die Rückmeldung
and die Stromversorgungseinheit verwendet werden kann. Vorzugsweise
schließt
sich an den Ausgang 6' noch
die in 2 gezeigte Konverterschaltung 8 (abgesehen von
dem bereits vorhandenen Widerstand RPD) an (nicht dargestellt).
-
In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu dem in 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind hier die LED-Ketten LK1, LK2, ... LKn kathodenseitig verbunden
und anodenseitig jeweils über
eine optionale Sicherung Fu1, Fu2, ... Fun mit einer Regelungsanordnung
RA1, RA2, ... RAn in Serie geschaltet. Die Regelungsanordungen sind
entsprechend mit pnp-Transistoren aufgebaut. Die Funktionsweise
entspricht dem vorherigen Ausführungsbeispiel.
Ebenso ist die Referenz-LED-Kette wie die übrigen LED-Ketten geschaltet,
so dass sich auch diesbezüglich
die Funktionsweise gegenüber
dem vorigen Ausführungsbeispiel
nicht ändert.
-
Das
in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
darin, dass statt der jeweiligen Verbindung zwischen Kollektor Cx
und Emitter Ex, x = 1 ... n, R, eine gemeinsame Asteuerschaltung
vorgesehen ist, die die Zenerdiode ZD2 und den Vorwiderstand RZ
umfaßt.
-
Optional
kann eine Sicherung FuB vorgesehen sein. Bei einer Unterbrechung
einer LED-Kette fließt über die
Ansteuerschaltung ein erhöhter
Strom zur Aufrechterhaltung des Spannungsabfalls am Emitterwiderstand
der unterbrochenen LED-Kette. Falls mehr als eine vorgegebene Zahl
von LED-Ketten unterbrochen
sind bzw. der Strom durch die Ansteuerschaltung eine vorgegebene
Grenze übersteigt,
schaltet die Sicherung FuB das LED-Array definiert ab. Dies kann
insbesondere bei Anwendungen mit erhöhten Sicherheitsanforderungen
vorteilhaft sein.
-
Die
in 7 gezeigte Variante zeichnet sich gegenüber den
in 5 und 6 dargestellten Varianten durch
einen geringeren Schaltungsaufwand aus, erfordert aber einen höheren Spannungsabfall an
den Regelungsanordungen RA1, RA2, ... RAn, RAR, so dass der Wirkungsgrad
etwas geringer ist. Zudem führt
die gemeinsame Ansteuerung zu einer etwas verminderten Stabilität. Die in 7 gezeigte Variante
mit gemeinsamer Ansteuerschaltung kann entsprechend auch bei dem
in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden.