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Die
Erfindung betrifft ein PWM-Ansteuerverfahren sowie eine Ansteuereinrichtung
zur Beeinflussung der Helligkeit von Leuchtkörpern einer Kraftfahrzeugbeleuchtung.
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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.
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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.
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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.
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Aus
der
JP 7183779 ist eine
PWM-Steuerung ebenfalls für
ein Display angegeben.
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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.
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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.
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Vielfach
werden bei Kraftfahrzeugen nicht nur Anzeigeelemente, sondern auch
Signalelemente aus sozusagen elektronischen Leuchtkörpern wie LED's, lichtemittierenden
Dioden, realisiert.
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Aus
der
US-5,850,126 A ist
eine Signalleuchte für
Ampeln oder Notleuchten in einem Theater oder Kino bekannt, wobei
die Signalleuchte jeweils im Pulsüberlastbetrieb betriebene LEDs
umfasst, wobei bei Betätigung
der Signalleuchten zur Erzielung eines temporären Helligkeitsmaximums der
Spitzenstrom im gepulsten PWM-Betrieb ein Mehrfaches des maximalen
Dauerstroms ist, wobei der sich über die
Dauer ergebende mittlere Strom gleich dem maximalen Dauerstrom ist.
Dabei ist die Pulsfrequenz größer als
eine Stroboskopfrequenz, so dass für die menschliche Wahrnehmung
ein scheinbares Dauerlicht entsteht. Dabei werden auch Schwankungen
der Versorgungsspannung ausgeregelt.
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Aus
der
FR 2 711 884 A1 ist
eine entsprechende Signalleuchte für die Luftfahrt oder Schifffahrt bekannt.
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Aus
der
US-5,517,064 A ist
eine Kraftfahrzeugbeleuchtung bekannt, die über ein PWM-Ansteuerverfahren angesteuert wird,
wobei Spannungsschwankungen der Versorgungsspannung ausgeregelt
werden können.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein verbessertes
PWM-Ansteuerverfahren sowie
eine Ansteuereinrichtung für
einen Puls-Weiten-Modulierten Ansteuerbetrieb für eine Kraftfahrzeugbeleuchtung
zu schaffen.
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Die
Lösung
des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit
den Merkmalen der Ansprüche
1 und 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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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 aus lichtemittierenden Dioden LED bestehen.
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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 sind die benannten
Signalleuchten die Bremsleuchten bzw. die Zusatzbremsleuchten oder
das Rückfahrlicht.
In beiden genannten Fällen
bedarf es einer temporär
hohen Lichtwirkung, da die besagten Leuchten eine für die Fahrsicherheit
im Betriebsfalle wesentliche Bedeutung haben.
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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.
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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.
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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. Dabei sind die benannten
Signalleuchten die Bremsleuchten bzw. die Zusatzbremsleuchten oder
das Rückfahrlicht.
in beiden genannten Fällen
bedarf es einer temporär
hohen Lichtwirkung, da die besagten Leuchten eine für die Fahrsicherheit
im Betriebsfalle wesentliche Bedeutung haben.
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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.
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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.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und nachfolgend
näher beschrieben.
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Es
zeigt:
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1:
PWM-Betrieb zur Ansteuerung von Leuchtelektroden mit sowohl variabler
Pulsein- als auch Pulsauszeit.
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2:
Prinzipieller Aufbau der Einrichtung.
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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.
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2 zeigt
eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Hierbei besteht
die dargestellte Signalleuchte 1 aus lichtemittierenden Dioden 10 LED's. Die diese beaufschlagende
Stromspannungseinheit 2 ist dabei PWM-gesteuert und liefert
den in 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.
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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.
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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.