DE19732828C2 - 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 LA, . . ., Ln 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 LA, . . ., Ln geschaltet sind. Die Helligkeit der LEDs LD wird hierbei im Wesentlichen durch den jeweiligen Betriebsstrom durch die LED-Arrays LA, . . ., Ln bestimmt. Ist die Betriebsspannung V_B, mit der die LED-Arrays LA, . . ., Ln versorgt werden, aber nicht stabil, so ergeben sich bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen wesentliche Nachteile. So kann es beispielsweise zu Heiligkeitsschwankun­ 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.

Aus dem Artikel "Leuchtdioden richtig eingesetzt" von Fried­ helm Eckhold in DE-Z Elektronik Applikationen, Nr. 5, 4. März 1986, Seiten 49 bis 54 ist die parallele Verschaltung von LED's zu einem Array bekannt. Die Ansteuerung von LED's über einen Pulsweitenmodulationsschalter ist z. B. aus der DE 32 30 226 A1 oder EP 0 689 344 A2 bekannt.

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 unabhängig von Überspan­ nungsimpulsen einen weitestgehend konstanten 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 5.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Ansteuerung des LED- Arrays ein Pulsbreitenmodulations(PWM)-Schalter verwendet wird, der in Reihe zum Leuchtdioden-Array geschaltet ist, wo­ bei der Pulsbreitenmodulations(PWM)-Schalter an das Leucht­ dioden-Array über eine Induktivität gekoppelt ist. Vorzugs­ weise sind der Pulsbreitenmodulationsschalter (PWM), die In­ duktivität (L) und das Leuchtdiodenarray seriell miteinander verschalten.

Elektrische Verluste treten in dieser Schaltungsanordnung vorteilhafterweise im wesentlichen nur in Form von Schaltver­ lusten und Spulenverlusten auf. Sie ist daher sehr ver­ lustarm. Weiterhin läßt sich mit dieser Schaltungsanordnung eine konstante Helligkeit bis zu sehr geringen Betriebsspannungen hin 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 Leuchtdioden-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 3 V 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 12 V- 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 -0,7 V 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 Ansteuerung.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von mindestens einem Leuchtdioden(LED)-Array (LA) mit einer Mehrzahl von parallel zueinander verschalteten LEDs (1) durch einen Pulsbreitenmo­ dulationsschalter (PWM) dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsbreitenmodulationsschalter (PWM) über eine Induktivi­ tät (L) an das LED-Array (LA) gekoppelt ist.

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

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) zwischen dem Pulsbreitenmodulations­ schalter (PWM) und dem LED-Array (LA) seriell zu diesen ange­ schlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Logik-Schaltkreis (LC) über eine Bootstrap-Kapazität (C1) an einen Source-Anschluß (S1) des Transistors (T1) gekoppelt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Source-Anschluß (S1) des Transistors (T1) über eine Diode (D) und das Leuchtdioden-Array (LA) jeweils mit einem Bezugspotential-Anschluß (P) oder mit einem Be­ triebsspannungsanschluß (V_B) verbunden sind, wobei die Diode (D) und die Leuchtdioden (LD) des Leuchtdioden-Arrays (LA) gleiche Flußrichtung aufweisen.