DE19933733A1 - PWM-Ansteuerverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein PWM-Ansteuerverfahren sowie eine entsprechende Ansteuereinrichtung zur Beeinflussung der Helligkeit von Leuchtkörpern oder Leuchtmitteln gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4. Um hierbei zu erreichen, daß elektronische Anzeige- und Lichtkörper bei Kraftfahrzeugen optimaler genutzt werden können, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei Betätigung von Kraftfahrzeugsignallampen zur Erzielung eines temporären Helligkeitsmaximums der Spitzenstrom im gepulsten PWM-Betrieb ein Mehrfaches des maximalen Dauerstromes ist, derart, daß der sich über die Dauer ergebende mittlere Strom gleich dem maximalen Dauerstrom ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein PWM-Ansteuerverfahren sowie eine Ansteuereinrichtung zur Beeinflussung der Helligkeit von Leuchtkörpern gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4.

Mit PWM-Ansteuerung ist die sog. Puls-Weiten-Modulierte Ansteuerung von bspw. Lampen oder Anzeigenelementen gemeint. Die Puls-Weiten-Modulation wird bekanntermaßen sowohl für die Ansteuerung von Lichtelementen, als auch von elektrischen Betätigungselementen eingesetzt. Hierbei findet die elektrische Beaufschlagung eines Beleuchtungselementes oder eines elektrisch betätigbaren Elementes nicht mehr über eine Dauerstrombeaufschlagung statt, sondern es werden Stromimpulse bzw. Spannungsimpulse aufgegeben. Dabei können entweder die Pulsdauern, in denen die Strombeaufschlagung stattfindet, in ihrer Dauer und somit in ihrer Pulsbreite variiert werden, oder es können die Auszeiten zwischen den Pulsen in ihrer Dauer und damit in ihrer Breite variiert werden. In beiden Fällen hat dies einen Einfluß auf das Beleuchtungselement oder das elektrische Betätigungselement. Auf diese Weise können beispielsweise auch Dimm-Schaltungen insbesondere für Leuchtstofflampen realisiert werden. Um Leuchtstofflampen in ihrer Leuchtwirkung abdimmern zu können, muß der für die Entladung notwendige Strom bzw. die dazu notwendige Spannung vorhanden sein. Jedoch wird durch die temporäre Austaktung bzw. die Einbringung einer Pulspause das Integral der zugeführten Leistung reduziert. Damit reduziert sich dann effektiv die Lichtleistung, obwohl die für den jeweiligen Leucht- oder Zündvorgang notwendige Spannung ihren Maximalbetrag also ihren Spitzenwert beibehält.

Aus der DE 197 11 885 A1 ist eine PWM-Ansteuerung bei Deko-Lampen angegeben, bei welcher über die PWM-Regelung definierte Helligkeitsveränderungen vorgenommen werden. Die dort dargestellte PWM-Steuerung ist für Lichterketten etc. vorgesehen.

Aus der EP 0 546 378 ist eine PWM-Steuerung für LCD-Displays oder LCD-Anzeigen angegeben. Auch hierbei wird über die dargestellte Vorgehensweise eine Veränderung der Helligkeit vorgenommen.

Aus der JP 7183779 ist eine PWM-Steuerung ebenfalls für ein Display angegeben.

Aus der DE 43 20 857 A1 wird eine Puls-Weiten-Modulierte Ansteuerung in Verbindung mit Entladungslampen bei Kraftfahrzeugen verwendet. Die PWM-Steuerung soll dabei dem Zündvorgang der besagten, bei Kraftfahrzeugen verwendeten Entladungslampen begünstigen.

Die drei erstgenannten Dokumente aus dem Stand der Technik befassen sich mit der Problematik der Dimmung insbesondere gleichstrombetriebener elektronischer Anzeigen. Die im vierten Dokument genannte PWM-Steuerung dient der Optimierung des Zündvorganges und der Dauerbetreibung von Entladungslampen bei Kraftfahrzeugen.

Vielfach werden bei Kraftfahrzeugen nicht nur Anzeigeelemente, sondern auch Signalelemente aus sozusagen elektronischen Leuchtkörpern wie LEDs, lichtemittierenden Dioden, realisiert.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein PWM-Ansteuerverfahren sowie eine entsprechende Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß elektronische Anzeige- oder Lichtkörper bei Kraftfahrzeugen optimaler genutzt werden können.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem PWM-Ansteuerverfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben. Hinsichtlich einer Einrichtung bzw. einer PWM- Ansteuereinrichtung der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 5-8 angegeben.

Kern der Erfindung ist hinsichtlich des Verfahrens darin zu sehen, daß bei Betätigung von Kfz-Signallampen zur Erzielung eines temporären Helligkeitsmaximums der Spitzenstrom im gepulsten PWM-Betrieb ein mehrfaches des maximalen Dauerstromes ist, derart, daß der sich über die Dauer ergebende mittlere Strom gleich dem maximalen Dauerstrom ist. Das Wesen des erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens für Kraftfahrzeugsignallampen ist hierbei, daß dieselben auch aus elektronischen Leuchtkörpern, wie beispielsweise lichtemittierenden Dioden LED, bestehen können.

Die Lichtleistung bzw. die Leuchtwirkung und demnach die entsprechende Eignung als Signallampen ist im üblichen Dauerbetrieb deutlich niedriger als die Leuchtkraft von beispielsweise halogenunterstützten Glühlampen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch möglich, Signallampen, welche aus einer Mehrzahl von Leuchtdioden bestehen, in ihrer Lichtleistung bzw. in der physiologischen Lichtwahrnehmung erheblich zu steigern. Dies wird dadurch erreicht, daß die den lichtemittierenden Effekt bewirkenden Ströme durch die besagten Leuchtdioden und daraus gebildeten Signallampen ein mehrfaches des üblicherweise verkraftbaren Dauerstromes ist. Um die besagten Leuchtdioden jedoch nicht zu zerstören, wird die besagte Überhöhung des Spitzenstromes gepulst, d. h. geregelt gepulst, im PWM- Betrieb vorgenommen. Beispielhaft könnte dies bedeuten, daß Leuchtdioden mit einer maximalen Dauerstromauslegung von 30 mA über den PWM-Betrieb gepulst mit Spitzenströmen von 90 mA betrieben werden. Durch die geregelte Einbringung von Pulspausen ergibt sich über eine Zeit betrachtet jedoch wieder ein mittlerer Strom, der im Hinblick auf die Pulszeiten und die eingestellten Pulspausenzeiten im Mittel wieder den maximalen Dauerstrom nicht überschreitet. Mit anderen Worten heißt dies, daß wenn der Strom als Funktion der Zeit dargestellt wird, das Integral unter der PWM- Taktkurve gleich dem Integral des Dauerstromes über die Gesamtbetriebszeit ist. Damit werden die Bauelemente, also die Leuchtdioden geschont, während dem jedoch die Leuchtwirkung vervielfacht wird.

Dabei ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß für die Dauer der Betätigung der Leuchtdioden die PWM-Ansteuerung so getaktet ist, daß die Pulsfrequenz größer oder gleich der Stroboskopfrequenz ist, bei welcher über die menschliche Wahrnehmung ein scheinbares Dauerlicht entsteht. Das menschliche Auge erfaßt dabei das Licht gemessen an seiner Spitzenleitung, wobei die Takte in ihrer Frequenz dann so gewählt sind, daß die Pulspausenzeiten nicht mehr wahrgenommen werden. In diesem Fall wird die physiologische Wahrnehmung der Lichtwirkung durch das menschliche Auge ausgenutzt. Hierbei kommt es nicht auf eine integrale Erfassung eines Beleuchtungszustandes an, sondern das menschliche Auge registriert auf diese Weise die Leuchtleistungsspitzen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die verfügbare Bordspannung im Kraftfahrzeug ermittelt wird, und daß Bordspannungsschwankungen im Betätigungsfall der Signalleuchten derart ausgeregelt werden, daß auch dabei konstant maximale Leuchtleistung erzeugt wird. Hierbei soll einfach in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Mangel einer möglicherweise variablen oder schwankenden Bordspannung ausgeglichen werden. In diesem Falle wird der in diesen Ansprüchen 1 und 2 angegebene Zustand der Ansteuerung durch elektronische Mittel bewerkstelligt.

Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Einrichtung bzw. Ansteuereinrichtung besteht der Kern der Erfindung in der Anwendung des o. g. Verfahrens darin, daß bei Verwendung von Signalleuchten aus lichtemittierenden Dioden der fließende Strom gemessen wird und eine PWM-gesteuerte Stromspannungseinheit derart ansteuerbar ist, daß der temporäre und getaktete Spitzenstrom ein mehrfaches des maximalen Dauerstromes ist und der sich auf Dauer ergebende mittlere Strom gleich dem Maximaldauerstrom ist. Hierbei ist es notwendig, daß der Strom zu allen Zeiten gemessen werden kann, um eine möglichst, wie oben bereits beschrieben, in ihrer Leistung bzw. ihrer Lichtleistung konstante Ansteuerung der Signallampen zu gewährleisten.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß die benannten Signalleuchten die Bremsleuchten bzw. die Zusatzbremsleuchten sind.

Weiterhin kann die Signalleuchte auch das Rückfahrlicht sein.

In beiden genannten Fällen bedarf es einer temporär hohen Lichtwirkung, da die besagten Leuchten eine für die Fahrsicherheit im Betriebsfalle wesentliche Bedeutung haben.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß zur Generierung temporärer Stromüberhöhungen, das Bordnetz im Kraftfahrzeug hinsichtlich der verfügbaren Spannung um ein mehrfaches höher ausgelegt ist, als Standardbordnetze.

Standardbordnetze bei Kraftfahrzeugen sind auf eine Betriebsspannung von 12 V ausgelegt. Um jedoch eine entsprechende temporäre Überhöhung von Betriebsströmen für den o. g. Zweck zu realisieren ist es notwendig, daß auch höhere Spannungen zur Verfügung stehen. Diese können entweder auf elektronischem Wege oder elektrisch erzeugt werden. Zur Erzeugung höherer Spannungen auf elektrischem oder elektronischem Wege innerhalb des Kraftfahrzeuges gibt es verschiedene Methoden.

Wichtig ist lediglich, daß die besagten höheren Spannungen zu dem o. g. Zweck zur Verfügung stehen, möglicherweise sogar auch nur temporär.

Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 PWM-Betrieb zur Ansteuerung von Leuchtelektroden mit sowohl variabler Pulsein- als auch Pulsauszeit.

Fig. 2 Prinzipieller Aufbau der Einrichtung.

Fig. 1 zeigt in ihrer schematischen Darstellung die hierbei verwendete Taktweise im PWM-Betrieb. Hierbei ist eine Grenzlinie dargestellt, welche den Dauerstrom IG darstellt. Auf der Ordinate wird im Pulsweitenbetrieb ein Vielfaches des maximalen Dauerstromes IG für entsprechende Pulszeiten generiert. Die Pulszeiten sowie auch die Pulsauszeiten sind so eingestellt, daß zum einen der physiologische Eindruck eines Dauerlichtes an einer Leuchtelektrode entsteht und zum anderen das Integral beider Signalläufe, also die Flächen unter dem konstanten Stromsignal gleich der Integralfläche unter der PWM- Kurve ist. Hierbei wird gewährleistet, daß der mittlere Strom nicht über dem maximalen Dauerstrom IG liegt. Wohl aber wird für die kurzen Taktzeiten ein Spitzenstrom Imax generiert, der ein Mehrfaches ist und somit auch ein mehrfaches an Lichtemission an der Leuchtelektrode generiert. Die Pulsauszeiten bzw. die dadurch letztendlich bewirkte Frequenz der Taktung ist so gewählt, daß in der physiologischen Wahrnehmung des menschlichen Auges ein Dauerlicht erhöhter Intensität entsteht. Die so physiologisch erzeugte Lichtwirkung liegt bei weitem deutlich über der wahrgenommenen Lichtwirkung bei einer Dauerstrombeaufschlagung, wie sie durch die gerade Linie bei IG repräsentiert wird. In beiden Fällen wird jedoch die gleiche Leistung auf die Leuchtdiode gegeben. Jedoch ist im letztgenannten Fall die menschlich wahrgenommene Lichtwirkung deutlich geringer.

Fig. 2 zeigt eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Hierbei besteht die dargestellte Signalleuchte 1 aus lichtemittierenden Dioden 10 LEDs. Die diese beaufschlagende Stromspannungseinheit 2 ist dabei PWM-gesteuert und liefert den in Fig. 1 dargestellten Stromverlauf in der dort dargestellten getakteten Weise. Bei entsprechender Einstellung maximal ausbeutbarer Lichtwirkung kommt es auf eine entsprechend geregelte Einflußnahme sowohl auf die Pulseinzeiten, wie auch die Pulsauszeiten an. Die Pulsauszeiten geben letztendlich die Frequenz wieder, unter der ein physiologischer Eindruck von Dauerlicht entsteht und die Pulseinzeiten ergeben die maximal einstellbaren Spitzenströme vor, so daß die Verbindung zwischen Pulsein- und Pulsauszeit zusätzlich hierbei auch das Stromintegral auf das des Dauerstromes begrenzen.

Hierbei ist es weiterhin notwendig, daß eine Strommessung über entsprechende Mittel 3 im Strompfad der Leuchtdiode vorgenommen wird, so daß hier ein entsprechend regelungstechnischer Eingriff zur Ermittlung der Pulsein- und Pulsauszeiten für den jeweiligen Fall errechnet werden kann. Für die Ermittlung geeigneter Frequenzen, um ein Dauerlicht in seiner Wahrnehmung entstehen zu lassen, bedarf es Frequenzen, die gleich oder größer als 50 Hz sind. Beispielsweise können bei einem sonst zulässigen Dauerstrom von 30 mA für die entsprechende Leuchtdiode durchaus jedoch auch Spitzenströme in der Größenordnung von 90 mA zugelassen werden, was zu der besagten deutlichen Erhöhung der Lichtwirkung führt.

Somit erfolgt die Ansteuerung, hier bspw. einer Zusatzbremsleuchte, nicht direkt über das Betätigungselement 4. Bei einer Betätigung wird zunächst die Stromspannungseinheit mit integrierter PWM-Einrichtung angesteuert und hierüber dann erst das Signalelement mit den Dioden 10.

Claims (8)

1. PWM-Ansteuerverfahren, zur Beeinflussung der Helligkeit von Leuchtkörpern oder Leuchtmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betätigung von Kfz-Signallampen zur Erzielung eines temporären Helligkeitsmaximums der Spitzenstrom im gepulsten PWM-Betrieb ein Mehrfaches des maximalen Dauerstromes ist derart, daß der sich über die Dauer ergebende mittlere Strom gleich dem maximalen Dauerstrom ist.

2. PWM-Ansteuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dauer der Betätigung die PWM-Ansteuerung so getaktet ist, daß die Pulsfrequenz größer oder gleich der Stroboskopfrequenz ist, bei welcher über die menschliche Wahrnehmung ein scheinbares Dauerlicht entsteht.

3. PWM-Ansteuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verfügbare Bordspannung im Kraftfahrzeug ermittelt wird und daß Bordspannungsschwankungen im Betätigungsfall der Signalleuchten derart ausgeregelt werden, daß auch dabei konstant maximale Leuchtleistung erzeugt wird.

4. Ansteuereinrichtung für Puls-Weiten-Modulierten Ansteuerbetrieb zur Beeinflussung der Helligkeit von Leuchtkörpern oder Leuchtmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Signalleuchten in Kraftfahrzeugen aus lichtemittierenden Dioden (10), der fließende Strom über Mittel (3) gemessen wird und eine PWM­ gesteuerte Stromspannungseinheit (2) derart ansteuerbar ist, daß der temporäre und getaktete Spitzenstrom ein Mehrfaches des maximalen Dauerstromes ist, und der sich auf Dauer ergebende mittlere Strom gleich dem maximalen Dauerstrom ist.

5. Ansteuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus lichtemittierenden Dioden (10) bestehenden Signalleuchten die Bremsleuchten bzw. die Zusatzbremsleuchten sind.

6. Ansteuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus lichtemittierenden Dioden (10) bestehende Signalleuchte das Rückfahrlicht ist.

7. Ansteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Generierung temporärer Stromüberhöhungen das Bordnetz im Kraftfahrzeug hinsichtlich der verfügbaren Spannung um ein Mehrfaches höher ausgelegt ist, als Standardbordnetze.

8. Ansteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Generierung temporärer Stromüberhöhungen temporär elektrisch oder elektronisch höhere Spannungen erzeugbar sind.