DE19732828A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leuchtdioden-Arrays - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Leuchtdioden(LED)-Array mit einer Mehrzahl von parallel zueinander verschalteten Leucht­ dioden (LEDs).

Gewöhnlich werden, wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt, Ar­ rays LA1, . . ., LAn von parallel oder seriell zueinander ver­ schalteten Leuchtdioden LD über elektrische Widerstände R bzw. R1, . . ., Rn oder Stromquellen angesteuert, die seriell zu einem oder mehreren LED-Arrays LA1, . . ., LAn geschaltet sind. Die Helligkeit der LEDs LD wird hierbei im Wesentlichen durch den jeweiligen Betriebsstrom durch die LED-Arrays LA1, . . ., LAn bestimmt. Ist die Betriebsspannung V_B, mit der die LED-Arrays LA1, . . ., LAn versorgt werden, aber nicht stabil, so ergeben sich bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen wesentliche Nachteile. So kann es beispielsweise zu Helligkeitsschwankun­ gen der Leuchtdioden LD, zu stark abnehmender Helligkeit der Leuchtdioden LD bei Unterschreiten der Summe der Schwellspan­ nungen der seriell verschalteten Leuchtdioden LD, zu hoher Verlustleistung oder Schädigung der Leuchtdioden LD durch er­ höhten Betriebsstrom bei Überspannung, zu einem Ausfall meh­ rerer Leuchtdioden LD durch erhöhten Strom bei Überspannung, zu einem Ausfall mehrerer Leuchtdioden LD bei Unterbrechung einer Leuchtdiode LD oder zu einer Schädigung der Leuchtdi­ oden LD bei Verpolung kommen. Instabile Betriebsspannungen V_B treten unvermeidbar beispielsweise bei Kraftfahrzeugen auf. Hier hängt die Betriebsspannung V_B z. B. vom Ladezustand der Batterie ab.

Darüberhinaus haben die bekannten Schaltungsanordnungen den Nachteil, daß wegen des hohen Verdrahtungsaufwandes eine Montage der elektrischen Widerstände R bzw. R1, . . ., Rn oder Stromquellen nahe bei den Leuchtdioden LD erforderlich ist, wodurch eine reduzierte Helligkeit wegen Aufheizung der Leuchtdioden LD durch die Verlustwärme der Widerstände R1, . . ., Rn bzw. R oder Stromquellen hervorgerufen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines oder mehrerer Leuchtdioden-Arrays zur Verfügung zu stellen, die insbesondere verlustarm arbeitet und einen weitestgehend kon­ stanten Strom durch die Leuchtdioden gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Schaltungsanordnung sind Ge­ genstand der Unteransprüche 2 bis 6.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß zur Ansteuerung des LED-Arrays ein Pulsbreitenmodulations(PWM)-Schalter verwendet ist, der in Reihe zum Leuchtdioden-Array geschaltet ist.

Vorzugsweise ist seriell zwischen den Pulsbreitenmodulati­ ons(PWM)-Schalter und dem Leuchtdioden-Array eine Induktivi­ tät angeschlossen.

Elektrische Verluste treten in dieser Schaltungsanordnung vorteilhafterweise im wesentlichen nur in Form von Schalt­ verlusten und Spulenverlusten auf. Sie ist daher sehr ver­ lustarm. Weiterhin läßt sich mit dieser Schaltungsanordnung eine konstante Helligkeit zu sehr geringen Betriebsspannungen erreichen. Überspannungen werden ebenfalls ausgeregelt, dyna­ mische Spannungsspitzen verursachen aufgrund der Induktivität keine Stromspitzen. Ein Ausfall einer Leuchtdiode beeinflußt die anderen Leuchtdioden nicht und führt nur zu einer gering­ fügigen Anhebung der Einzelströme der Leuchtdioden.

Die an den Leuchtdioden anliegende Spannung kann vorteilhaf­ terweise zusätzlich als Temperatursignal der Leuchtdioden verwendet werden, um den Strom durch die Leuchtdioden tempe­ raturabhängig abzuregeln. Der PWM-Schalter ist außerdem an beliebigen Orten einsetzbar, die Leitungen der Spule L sind ohne EMV-Probleme beliebig verlängerbar.

Im Gegensatz zum oben beschriebenen bislang bekannten soge­ nannten Stromquellenkonzept erlaubt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wegen der geringen Verlustleistung auch die Realisierung von Mehrfachschaltern, z. B. für die Rück­ leuchten eines Kraftfahrzeuges.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1, 3 und 4 näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen prinzipiellen Schaltplan eines Ausführungsbei­ spieles,

Fig. 2a und 2b Schaltpläne von Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3a bis 3d schematische Darstellungen von Spannungs- und Strom-Zeit-Abhängigkeiten im Betrieb des des Ausführungs­ beispieles von Fig. 1 und

Fig. 4 einen prinzipiellen Schaltplan eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispieles.

Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbei­ spiele sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszei­ chen versehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist ein Leuchtdioden- Array LA, bestehend aus einer Mehrzahl von parallel zueinan­ der geschalteten Leuchtdioden LD1, . . ., LDn, einerseits (hier Kathodenseite) mit einem Bezugspotential-Anschluß P für ein festes Potential, bevorzugt Masse, und andererseits (hier die Anodenseite) mit einem ersten Anschluß 1 einer Induktivität L verbunden. Ein zweiter Anschluß 2 der Induktivität L ist mit einem Source-Anschluß S1 eines ersten Transistors T1 verbunden, von dem ein Drain-Anschluß D1 mit einem Drain- Anschluß D2 eines zweiten Transistors T2 verbunden ist. Ein Source-Anschluß S2 des zweiten Transistors T2 ist an einen Betriebsspannungsanschluß V_B angeschlossen.

Gate-Anschlüsse G1, G2 der beiden Transistoren T1, T2 sind mit einem Logik-Schaltkreis LC verbunden, der einen Ausgang ST und einen Spannungseingang V_IN aufweist. Zwischen dem Logik- Schaltkreis LC und dem zweiten Anschluß 2 der Induktivität L ist eine erste Kapazität C1 angeschlossen. Weiterhin ist zwi­ schen dem Bezugspotential-Anschluß P und dem zweiten An­ schluß 2 der Induktivität L eine Diode D angeordnet, derart, daß deren Anode mit dem Bezugspotential-Anschluß P verbun­ den ist. Der Logik-Schaltkreis LC ist ebenfalls mit dem Be­ zugspotential-Anschluß P verbunden.

Zwischen dem PWM-Schalter PWM und dem Bezugspotential- Anschluß P ist eine zweite Kapazität C2 angeschlossen, mit­ tels der die Frequenz des PWM-Schalters PWM einstellbar ist.

Um eine EMV-Abstrahlung zu verhindern, ist der Betriebsspan­ nungsanschluß V_B mit einem dritten Kondensator C3 abge­ blockt.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß dem oben be­ schriebenen Ausführungsbeispiel ist folgende: Nach dem Ein­ schalten des PWM-Schalters PWM am Zeitpunkt t₀ steigt der Strom I, der durch das Leuchtioden-Array LA fließt, an, be­ grenzt durch die Induktivität L. Dies ist im Diagramm der Fig. 3c gezeigt, bei dem der Strom I in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist.

Bei einem bestimmten Stromwert des Stromes I schaltet der Lo­ gik-Schaltkreis LC den ersten Transistor T1 ab, der Strom I fließt aber über den von der Induktivität L, der Diode D und dem Leuchtdioden-Array LA gebildeten Stromkreis weiter und nimmt ab. Nach Abnahme des Stromes I auf einem bestimmten Wert oder nach definierter Zeitdauer schaltet der Logik­ schaltkreis LC den ersten Transistor T1 wieder ein, so daß der Strom I wieder ansteigt. Dieser Prozeß wiederholt sich permanent, wodurch eine konstante Stromregelung realisiert ist (man vergleiche Fig. 3).

Eine Sollgröße des Stromes I wird mittels einer definierten Spannung am Spannungseingang V_IN des Logik-Schaltkreises LC eingestellt (man vergleiche die Fig. 3a). Damit läßt sich der Strom I für eine beliebige Anzahl von Leuchtdioden LD1, . . ., LDn oder für unterschiedliche Grundhelligkeiten ein­ stellen (man vergleiche die Fig. 3d). Eine Strommessung für die Regelung findet beispielsweise als Sense-Prinzip im er­ sten Transistor T1 statt und wird durch den Logik-Schaltkreis LC verarbeitet. Um die Induktivität L klein zu halten wird vorzugsweise eine PWM-Schalter-Frequenz von < 20 kHz verwen­ det.

Ist die Spannung am Betriebsspannungseingang V_B größer als 0, so ist der zweite Transistor T2 durch den Logik-Schaltkreis LC eingeschaltet, ansonsten ist er ausgeschaltet. Durch die parasitäre Inversdiode ID2 des zweiten Transistors T2 wird ein Stromfluß durch das Leuchtdioden-Array LA bei Verpolung der Schaltungsanordnung verhindert. Der erste Kondensator C1 dient als Bootstrap-Kondensator für die Gate-Spannungen der beiden Transistoren T1, T2. Am Ausgang ST des Logik- Schaltkreises LC ist eine Diagnose bezüglich Lastunterbre­ chung, Übertemperatur oder ähnliches möglich.

Mit dieser Schaltungsanordnung läßt sich eine konstante Hel­ ligkeit der Leuchtdioden bis herab zu einer Betriebsspannung am Betriebsspannungseingang V_B von ca. 2 bis 3V erreichen. Überspannungen werden ausgeregelt, dynamische Spannungsspit­ zen verursachen aufgrund der vorhandenen Induktivität keine Stromspitzen. Ein Ausfall einer oder mehrerer Leuchtdioden LD1, . . ., LDn beeinflußt die restlichen Leuchtdioden nicht und führt nur zu einer geringfügigen Erhöhung von deren Einzel­ strömen.

Im Gegensatz zum bislang bekannten Konzept (man vergleiche die Fig. 2A und 2B) erlaubt die erfindungsgemäße Schal­ tungsanordnung wegen ihrer geringen Verlustleistung die Rea­ lisierung von Mehrfachschaltern, z. B. für Kfz-Rückleuchten beidseitig.

Zur Reduzierung des Schalter- und Spulenstromes können auch zwei oder mehrere Leuchtdioden-Arrays LA in Serie geschaltet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist der erste Transi­ stor T1 als PWM-modulierbarer Highside-Schalter ausgelegt. Unter Highside-Schalter ist hierbei zu verstehen, daß der Schalter an der Betriebsspannung, beim Kraftfahrzeug am 12V-Ausgang der Batterie angeschlossen ist und die Last auf Masse liegt.

Anstelle des in Fig. 1 gezeigten sogenannten Drosselwandlers sind auch andere Wandlerarten, wie z. B. Eintakt-Sperrwandler ES (man vergleiche Fig. 4) einsetzbar. Das oben beschriebene Prinzip ermöglicht jedoch den Einsatz kostengünstiger Spulen und verursacht relativ geringe EMV-Abstrahlung.

Alternativ zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der PWM-modulierbare Schalter auch als Lowside-Schalter ausgeführt sein. Hierbei ist die Last auf dem Betriebsspan­ nungseingang und der Schalter auf Masse gelegt.

In der Fig. 3a ist, bezogen auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 1, beispielhaft ein Spannungsverlauf am Spannungsein­ gang V_IN des Logikschaltkreises LC in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Ab dem Einschaltzeitpunkt t₀ liegt über eine erste Zeitspanne bis zum Zeitpunkt t₁ eine erste Span­ nung V1 an. Ab dem ersten Zeitpunkt t₁ liegt über eine zweite Zeitspanne bis zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ eine zweite Spannung V2 an, die geringer ist als die erste Spannung V1.

Im Diagramm der Fig. 3b ist die Ausgangsspannung V_OUT am Aus­ gang des PWM-Schalters PWM gegen die Zeit t aufgetragen. Hier handelt es sich im Wesentlichen um eine Rechteckspannung mit der vorgegebenen PWM-Schalter-Frequenz, deren beiden Span­ nungswerte beispielsweise -0,7V und Betriebsspannung V_B sind.

Das Diagramm von Fig. 3C wurde bereits weiter oben erläu­ tert.

Im Diagramm von Fig. 3d ist die Spannung V_LD am Leuchtdi­ oden-Array in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Ab dem Einschaltzeitpunkt t₀ steigt die Spannung an den Leuchtdioden LD an und bleibt bis zum ersten Zeitpunkt t₁ im Wesentlichen auf einem konstanten Wert. Am ersten Zeitpunkt t₁, in dem die Spannung am Spannungseingang V_IN des Logikschaltkreises LC auf einen niedrigeren Wert geschaltet wird, sinkt der Strom I (man vergleiche Fig. 3c) und damit auch die Leuchtdioden­ spannung V_LD auf einen kleineren Wert ab. Die Helligkeit der Leuchtdioden wird folglich geringer.

Am zweiten Zeitpunkt t₂ trennt der PWM-Schalter PWM die Be­ triebsspannung V_B ab und die Leuchtdiodenspannung V_LD sinkt nachfolgend auf 0 V ab. Über die erste Zeitspanne zwischen dem Einschaltzeitpunkt t₀ und dem ersten Zeitpunkt t₁ leuch­ ten die Leuchtdioden LD1, . . ., LDn beispielsweise mit maximaler Helligkeit und über die zweite Zeitspanne zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und dem zweiten Zeitpunkt t₂ leuchten die Leuchtdioden LD1, . . ., LDn mit gedimmter Helligkeit.

Bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 bleibt ein Kurzschluß der Induktivität L zum Bezugspotential- Anschluß P vorteilhafterweise ohne Folgen für die Anteuerung.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Leuchtdioden(LED)-Array (LA) mit einer Mehrzahl von parallel zueinander verschalteten LEDs (1), dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulsbreitenmodulations-Schalter (PWM) in Reihe zum LED-Array (LA) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsbreitenmodulations-Schalter (PWM) mindestens einen Transistor (T1), insbesondere einen Feldeffekttransistor, und einen Logik-Schaltkreis (LC) aufweist, der im Betrieb der Schaltungsanordnung den Transitor (T1), steuert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsbreitenmodulations-Schalter (PWM) über eine Indukti­ vität (L) an das LED-Array (LA) gekoppelt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) zwischen dem Pulsbreitenmodulations- Schalter (PWM) und dem LED-Array (LA) seriell zu diesen ange­ schlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Logik-Schaltkreis (LC) über eine Kapazität (C1) an einen Source-Anschluß (S1) des Transistors (T1) gekoppelt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Source-Anschluß (S1) des Transistors (T1) über eine Diode (D) mit einem Bezugspotential-Anschluß (P) oder mit einem Be­ triebsspannungsanschluß (V_B) und das Laserdioden-Array (LA) ebenfalls mit dem Bezugspotential-Anschluß (P) bzw. mit dem Betriebsspannungsanschluß (V_B) verbunden ist, wobei die Diode (D) und die Leuchtdioden (LD) des Leuchtdioden-Arrays (LA) gleiche Flußrichtung aufweisen.