DE202016004805U1

DE202016004805U1 - LED Schaltungsanordnung zur Parameterkompensation

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Publication number: DE202016004805U1
Application number: DE202016004805.9U
Authority: DE
Original assignee: Zumtobel Lighting GmbH Austria
Current assignee: Zumtobel Lighting GmbH Austria
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2017-11-07
Anticipated expiration: 2026-08-06
Also published as: AT16733U1

Abstract

LED-Anordnung umfassend eine Mehrzahl von Leuchtdioden (4) und den Leuchtdioden (4) zugeordnete Schaltungen (5, 6, 7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leuchtdiode (4) genau eine Schaltung (5, 6, 7, 8) zugeordnet ist, und die Schaltung (5, 6, 7, 8) ausgelegt ist, einen Parameter der zugeordneten Leuchtdiode (4) anzupassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine LED-Anordnung für den Betrieb einer Vielzahl von LED und ein Leuchtmittel. Die Erfindung betrifft ferner eine Beleuchtungsanordnung mit mindestens einer LED-Anordnung, sowie eine Leiterplatte ausgelegt für eine Kompensation von Parameterstreuungen zur Verwendung in einer LED-Anordnung.
Leuchtdioden (LEDs) ersetzen in der modernen Beleuchtungstechnologie zunehmend klassische Lichtquellen. Es ist eine Vielzahl unterschiedlicher LED-Typen verfügbar, die sich hinsichtlich ihrer abgegebenen Lichtleistung sowie einer Qualität des abgegebenen Lichts, beispielsweise der Farbe oder der Farbtemperatur des abgegebenen Lichts unterscheiden. Abhängig von dem Anwendungsgebiet einer Leuchte, in der die LEDs zum Einsatz kommen, abhängig von der Größe der Leuchte, oder deren Lichtaustrittsfläche kann dabei die Verwendung einiger weniger Hochleistungs-LEDs oder einer Vielzahl von LEDs mit niedriger bzw. mittlerer Leistung von Vorteil sein.
Für den Fall, dass eine Vielzahl von LEDs mit niedriger oder mittlerer Leistung betrieben wird, sollen diese in geeigneter Weise verschaltet werden. Hierbei hat sich in der Praxis durchgesetzt, LEDs in sog. seriell-parallelen Arrays anzuordnen, wie dies in der 2 beispielhaft dargestellt ist.
Bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsvariante werden alle LEDs von einem gemeinsamen Betriebsgerät versorgt. Ein einzelnes Array besteht dabei jeweils aus mehreren parallel geschalteten LED-Strängen, in denen jeweils die LEDs seriell verschaltet sind. Bei der Variante gemäß der 2 sind also beispielsweise n parallele LED-Stränge vorhanden, welche jeweils m LEDs aufweisen, so dass ein Array insgesamt aus n × m LEDs besteht. Dabei können mehrere Arrays auch in Serie zueinander verschaltet werden, wobei das Betriebsgerät diese Anordnung dann bevorzugt mit einem Konstantstrom versorgt.
Ein seriell-paralleles LED-Array, wie es in der 2 gezeigt ist, weist gewisse Vorteile hinsichtlich des einfachen Aufbaus, der damit verbundenen niedrigen Kosten und der trotz allem erreichbaren hohen Effizienz auf. Wenn LEDs eines Typs verwendet werden, die eine im Wesentlichen identische Vorwärtsspannung aufweisen, dann wird der von dem Betriebsgerät zur Verfügung gestellte Strom gleichmäßig auf die einzelnen LED-Stränge mit nur geringen Toleranzen aufgeteilt.
Allerdings unterliegen LEDs herstellungsbedingt Toleranzen in ihren statischen und dynamischen Eigenschaften (Parametern). Die statischen oder dynamischen Eigenschaften können beispielsweise eine Vorwärtsspannungsklasse (Vorwärtsspannungsbin), eine Sperrschichtkapazität, eine Diffusionskapazität, eine optische Effizienz der LED sein. Verschiedene LEDs eines Typs können unterschiedliche Lichtabgabe hinsichtlich der Lichtleistung aufweisen, obwohl sie mit gleichem Strom gespeist werden. Dieser Effekt ist insbesondere für LEDs in einem Betriebszustand mit geringer Lichtabgabe sichtbar. Dieser unerwünschte Effekt tritt beispielsweise verstärkt bei Betrieb von LEDs bei geringen Dimmwerten auf.
Darüber hinaus kann der durch das Betriebsgerät abgegebene Konstantstrom für die Speisung der LEDs zeitlich veränderliche und gegen Masse gekoppelte Anteile aufweisen.
Die LEDs können durch parasitäre Eigenschaften der LEDs selbst, einer mit den LEDs bestückten Leiterplatte, und/oder des speisenden Betriebsgeräts unerwünscht Licht ungleichmäßig, insbesondere mit unterschiedlicher Helligkeit abgeben.
Der Betrieb von bekannten LED-Modulen ist daher aufgrund statistischer und parasitärer Eigenschaften der LEDs und des schaltungstechnischen Aufbaus mit Nachteilen verbunden.
Es bleibt daher die Aufgabe zu lösen, die vorstehend geschilderten Nachteile im Betrieb von LED-Modulen zu verringern oder zu überwinden.
Die Aufgabe wird durch eine LED-Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie eine entsprechend ausgebildete Beleuchtungsanordnung, sowie Leuchtmittel gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine LED-Anordnung umfassend eine Mehrzahl von Leuchtdioden und den Leuchtdioden jeweils zugordnete Schaltungen vorgesehen. Dabei zeichnet sich die erfindungsgemäße LED-Anordnung dadurch aus, dass jeder Leuchtdiode der Mehrzahl von Leuchtdioden genau eine Schaltung zugeordnet ist. Die Schaltung ist dafür ausgelegt einen Parameter der zugeordneten Leuchtdiode anzupassen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass in einer LED-Anordnung mittels den einzelnen LED zugeordneten Schaltungen selektiv Parameterstreuungen der einzelnen LEDs kompensiert werden, um gleichförmige Eigenschaften der einzelnen LEDs hinsichtlich ihrer Lichtabgabe über das gesamte LED-Anordnung zu erreichen. Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt, dass für den Fall, dass LEDs mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften innerhalb einer LED-Anordnung zum Einsatz kommen, bestimmte LEDs mit einer anderen Leistung betrieben werden, um vergleichbare, insbesondere identische oder nahezu identische optische Eigenschaften zu erreichen. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Qualität der LED-Anordnung im Hinblick auf eine gewünschte Beleuchtung zu verbessern, ohne außerordentlichen Aufwand bei der Herstellung der einzelnen LEDs betreiben zu müssen.
Dabei kann eine erfindungsgemäße LED-Anordnung sowohl ein LED-Modul mit einer Mehrzahl von LEDs sein, die räumlich gemeinsam in einer Leuchte eingesetzt werden, wobei die LEDs beispielsweise auf einer Leiterplatte montiert sind. Der Begriff LED-Anordnung kann somit als LED-Modul verstanden werden. Ebenso kann die erfindungsgemäße LED-Anordnung eine Mehrzahl von LEDs, insbesondere Hochleistungs-LEDs in einer Mehrzahl von Leuchten und über die Grenzen der einzelnen Leuchte hinweg umfassen. Somit sind mit der Erfindung auch einzelne LEDs über Leuchten hinweg zu kompensieren. Die Homogenität der Lichtabgabe zwischen verschiedenen Leuchten wird somit anpassbar.
Bevorzugt ist die LED-Anordnung so ausgelegt, die Schaltung ein oder mehrere passive Bauelemente umfasst, oder aus einem oder mehreren passiven Bauelementen besteht.
Die Verwendung der passiven Bauelemente in den zugeordneten Schaltungen hält den schaltungstechnischen Aufwand und damit auch die Kosten gering.
Die passiven Bauelemente können Kapazitäten und/oder Widerstände und/oder Induktivitäten sein.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die LED-Anordnung und die den LEDs zugeordnete Schaltung passive Bauelemente, insbesondere auch passive oberflächenmontierte Bauelemente und/oder mittels eines Abgleichverfahrens, insbesondere Lasertrimmen, anpassbare Bauelemente umfasst.
Insbesondere Widerstände und Kapazitäten sind beispielsweise als oberflächenmontierte Bauelemente (SMD-Technologie) mit geringen Abmessungen und zu moderaten Kosten verfügbar. Ebenso ist mittels Lasertrimmen eine einfache Realisierung mit Anpassung vorgefertigter Leiterstrukturen an die tatsächlich für eine bestimmte LED erforderlichen Bauelementwerte für die Kompensation möglich. In Anbetracht der für jede einzelne LED erforderlichen Schaltung wird der Aufwand der LED-Anordnung entsprechend minimiert.
Ein vorteilhaftes LED-Modul umfasst als passives Bauelement Heißleiter (NTC) und/oder Kaltleiter (PTC).
Der Einsatz von Heißleitern und/oder Kaltleitern bewirkt erweiterte Möglichkeiten bei der Kompensation parasitärer Eigenschaften, da auch damit temperaturabhängige Effekte berücksichtigt werden können.
Die LED-Anordnung nach einer Ausführung weist als passive Bauelemente mittels eines Abgleichverfahrens anpassbare Bauelemente auf, die jeweils in einem kritischen Arbeitspunkt der Leuchtdioden, insbesondere für einen kleinen Dimmwert, abgeglichen werden.
Der Abgleich der parasitären Effekte in einem kritischen Arbeitspunkt der Lichtabgabe für einen im Betrieb wesentlichen Arbeitspunkt, ohne den Aufwand für den Abgleich der LED-Anordnung mit seiner Vielzahl von den einzelnen LEDs zugeordneten Schaltungen mit jeweils mehreren einzelnen Bauelementen und Abgleichmöglichkeiten übermäßig zu erhöhen, indem eine Kompensation über einen weiten Bereich angestrebt wird.
Eine LED-Anordnung nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die LED-Anordnung so ausgelegt ist, dass Parameter der Leuchtdioden in der LED-Anordnung messbar sind. Damit ist die Möglichkeit eröffnet, die geeigneten Bauelementewerte für die Schaltungen für die vorab mit LEDs bestückte LED-Anordnung zu ermitteln.
Ein Rückgriff auf Daten aus der Fertigung der LED-Charge der LEDs ist somit nicht notwendig. Die kompensierbaren Parameter der LED umfassen damit auch Abweichungen, die sich aus der Bestückung einer Leiterplatte der LED-Anordnung und Toleranzen bei der der Herstellung der mit LEDs bestückten Leiterplatte ergeben.
Eine Ausführung der LED-Anordnung weist eine jeder LED zugeordnete Schaltung auf, die jeweils mindestens eine der folgenden Schaltungsanordnungen umfasst: einen Serienkreis, einen Parallelkreis, einen Gleichtaktkreis und einen Gegentaktkreis.
Diese grundlegenden Abstimmungskreise der den LEDs zugeordneten Schaltungen ermöglichen die Kompensation einer Vielzahl unterschiedlicher parasitärer Effekte. Beispielsweise kann für die jeder LED zugeordnete Schaltung die vorstehend genannten grundlegenden Abstimmungskreise jeweils mit Leiterbahnen vorbereitetet sein. Die tatsächliche Nutzung der vorgesehenen und vorbreiteten Abstimmkreise über Bestückung und im Rahmen eines Abgleichverfahrens, beispielsweise Lasertrimmen, jedoch erst nach Messung der LED-Anordnung vorgenommen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung die zumindest eine LED-Anordnung nach einer der vorgenannten Ausführungen umfasst, wobei die Beleuchtungsanordnung eingerichtet ist, die Parameter der Leuchtdioden nach einem Zusammenbau der Beleuchtungsanordnung (Leuchte) zu messen.
Bevorzugt ist die Beleuchtungsanordnung derart eingerichtet, dass die Parameter der Leuchtdioden nach einem Zusammenbau der Beleuchtungsanordnung abgleichbar sind.
Werden die Schaltungen in der zusammengebauten Beleuchtungsanordnung abgeglichen, so sind auch die dynamischen Eigenschaften der Beleuchtungsanordnung im Rahmen der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung zu kompensieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Leiterplatte ausgelegt für die Bestückung mit Leuchtdioden und zusätzlich dafür eingerichtet, dass den Leuchtdioden jeweils zugeordnete Schaltungen vorgesehen sind.
Die Leiterplatte nach dem dritten Aspekt ermöglicht den Aufbau einer LED-Anordnung mit kompensierten parasitären Eigenschaften, ohne dass die Leuchtdioden im Hinblick auf besonders gleichmäßige Eigenschaften gefertigt oder selektiert werden müssen. Damit sind auch hohe Anforderungen an eine gleichförmige Lichtabgabe an die auf der Leiterplatte bestückten Leuchtdioden zu erfüllen.
Die Aufgabe löst ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel, das eine Leuchtdiode und eine der Leuchtdiode zugeordnete Schaltung aufweist, wobei die zugeordnete Schaltung ausgelegt ist, einen Parameter der Leuchtdiode anzupassen.
Anpassen eines Parameters der Leuchtdiode ist so zu verstehen, dass wenigstens ein Parameter der Lichtabgabe der Leuchtdiode, beispielsweise eine abgegebene Lichtintensität, für eine vorgegebene Eingangsgröße des Leuchtmittels, beispielsweise eines Speisestroms oder eine Speisespannung auf einen bestimmten, vorgegebenen Wert eingestellt wird. Damit wird beispielsweise eine bestimmte Charakteristik der Lichtabgabe des Leuchtmittels einstellbar.
Eine bevorzugte Ausführung des Leuchtmittels umfasst eine Schaltung mit einem oder mehreren passiven Bauelementen.
Die passiven Bauelemente einer Ausführung des Leuchtmittels sind Kapazitäten und/oder Widerstände und/oder Induktivitäten. Die passiven Bauelemente können Heißleiter und/oder Kaltleiter umfassen.
Das Leuchtmittel einer bevorzugten Ausführung umfasst als passive Bauelemente oberflächenmontierte Bauelemente und/oder mittels eines Abgleichverfahrens, insbesondere Lasertrimmen, anpassbare Bauelemente umfassen.
Das Leuchtmittel einer Ausführung der Erfindung umfasst mittels eines Abgleichverfahrens anpassbare Bauelemente, wobei die anpassbaren Bauelemente jeweils in einem kritischen Arbeitspunkt der Leuchtdiode, insbesondere für einen kleinen Dimmwert, abgeglichen werden.
Weiter kann das Leuchtmittel eingerichtet sein, den Parameter des Leuchtmittels zu messen.
Das Leuchtmittel nach einer Ausführung der Erfindung umfasst eine Schaltung, die mindestens eine der Schaltungsanordnungen umfassend einen Serienkreis, einen Parallelkreis, einen Gleichtaktkreis und einen Gegentaktkreis umfasst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine LED-Schaltungsanordnung mit einem LED-Konverter und einem Leuchtmittel gemäß der Erfindung,
2 die Ansicht eines LED-Moduls als Bespiel einer LED-Anordnung,
3 eine grundsätzliche Darstellung einer bekannten LED-Schaltungsanordnung,
4 Strom-Spannungskennlinie der LEDs der bekannten Schaltungsanordnung,
5 einen vergrößerten Ausschnitt der Strom-Spannungskennlinie der LEDs der bekannten Schaltungsanordnung,
6 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
7 Strom-Spannungskennlinie der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel für geringe Stromstärken,
8 Strom-Spannungskennlinie der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel für große Stromstärken,
9 eine bekannte Schaltungsanordnung mit einem Betriebsgerät mit Störspannung und parasitären Kapazitäten der Leiterplatte nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
10 Messung für die bekannte Schaltungsanordnung ohne Kompensation,
11 Messung für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel für C₂ = 1,5 nF,
12 Messung für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel für C₂ = 3 nF,
13 Messung für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel für R = 100 kΩ,
14 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel,
15 Messung für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach dem dritten Ausführungsbeispiel für C₁ = 1,0 fF,
16 Messung für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach dem dritten Ausführungsbeispiel für C₁ = 5 pF, und
17 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.
Bevor anhand des Ausführungsbeispiels nach 1 die Erfindung näher erläutert wird, wird mit 2 der grundsätzliche Aufbau eines LED-Moduls als Bespiel für eine LED-Anordnung zur Verwendung des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens gezeigt. Dargestellt ist in 2 eine Schaltungsanordnung 1 zum Betreiben mehrerer Leuchtmittel 2, wobei im Nachfolgenden der Einfachheit halber davon ausgegangen wird, dass es sich jeweils um Leuchtmittel 2 eines Typs handelt. Ggf. können allerdings in bestimmten Zweigen auch unterschiedliche LED-Typen zum Einsatz kommen.
Das LED-Modul 1 besteht aus einer LED-Matrix (LED-Array), welches von einem Betriebsgerät 3 mit einer Spannung U_ballast und mit einem Konstantstrom I_ballast versorgt wird. Der gezeigte Aufbau der Schaltungsanordnung entspricht einem seriell-parallelen LED-Array, es sind also mehrere parallel geschaltete LED-Stränge vorgesehen. Im dargestellten Fall sind n LED-Stränge gezeigt, in denen jeweils mehrere LEDs in Serie geschaltet sind. Im vorliegenden Fall wird davon ausgegangen, dass die LED-Stränge jeweils m LEDs umfassen.
Der erfindungsgemäße Gedanke besteht darin, dass jedes der n × m Leuchtmittel 2 des LED-Arrays eine Schaltungsanordnung umfasst. Diese zugeordnete Schaltungsanordnung kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden, wie anhand der 1 näher beschrieben wird. Die Funktion der zugeordneten Schaltungsanordnung besteht darin, für das jeweilige Leuchtmittel 2 den Strom so einzustellen, dass parasitäre und statistische Streuungen der Parameter der einzelnen Leuchtmittel 2 derart kompensiert werden, dass sich über das LED-Modul ein gewünschte, bevorzugt eine gleichmäßige Lichtverteilung ergibt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Lichtabgabe eines Leuchtmittels 2 im Wesentlichen durch den Strom durch die LED 4 bestimmt wird.
Die Schaltungsanordnungen sind erfindungsgemäß derart ausgelegt, dass sie individuell für die entsprechende LED 4 den Strom einstellen können.
Parasitäre Eigenschaften von LEDs 4 sind durch die Herstellung oder durch den spezifischen Einsatz, beispielsweise die konkrete räumliche Anordnung in einer elektrischen Schaltung bedingte Nebeneigenschaften einer LED 4. Die Erfindung ist geeignet, sowohl parasitäre Eigenschaften der einzelnen LED 4 als auch parasitäre Eigenschaften der mit LEDs 4 bestückten Leiterplatte zu kompensieren.
1 zeigt grundsätzliche Möglichkeiten für ein einzelnes Leuchtmittel 2 umfassend eine einzelne LED 4 und die der LED zugeordnete Schaltungsanordnung zur Kompensation statistischer und parasitärer Parameterstreuungen der LED.
Das Leuchtmittel 2 wird durch ein Betriebsgerät 3 (LED Konverter, Ballast) mit einem Strom I_ballast bzw. einer Spannung U_ballast versorgt.
In 1 sind vier unterschiedliche Schaltungstopologien für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die gemeinsam oder einzeln in Ausführungsformen der Erfindung genutzt werden können, gezeigt. Das in 1 gezeigte erfindungsgemäße Leuchtmittel 2 kann dabei jeweils für jede elementare LED 4 des in 2 dargestellten LED-Arrays 1 eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach 1 umfasst eine LED 4 und dieser zugeordnet eine Schaltungsanordnung umfassend einen Serienkreis 6, einen Parallelkreis 5, einen Gleichtaktkreis 8 und einen Gegentaktkreis 7. Erfindungsgemäß ist zumindest einer der genannten Schaltungen Serienkreis 6, Parallelkreis 5, Gleichtaktkreis 8 und Gegentaktkreis 5 in der Schaltungsanordnung vorhanden. Es kann ebenso eine beliebige Kombination der gezeigten Kreise Bestandteil der Schaltungsanordnung sein.
Der in 1 gezeigte Serienkreis 6 besteht aus passiven Bauelementen, dargestellt ist eine Serienkapazität C_S und ein Widerstand R_S in Serie zu der LED 4.
Nicht jede der in der Schaltungsanordnung nach 1 gezeigten Elemente muss tatsächlich in einer Ausführung der Erfindung vorgesehen oder bestückt sein. So kann ein erfindungsgemäßer Serienkreis 6 lediglich einen Widerstand R_S umfassen. Ist auf einer Leiterplatte für eine erfindungsgemäße Ausführung ein Serienkreis 6 umfassend eine Serienkapazität C_S und ein Widerstand R_S vorgesehen, so kann, falls ein Widerstand R_S zum Abgleich der streuender Eigenschaften der LED 4 ausreicht, die für die Bestückung mit einer Serienkapazität C_S vorgesehene Bestückungsposition mittels eines Kurzschlusses überbrückt werden. Für die Verwendung eines Serienkreises 6 umfassend allein eine Serienkapazität C_S, wird entsprechend die für die Bestückung mit einer Serienkapazität C_S vorgesehene Bestückungsposition mittels eines Kurzschlusses überbrückt.
In 1 ist als weiterer, alternativer oder zusätzlicher Bestandteil der Schaltungsanordnung ein Parallelkreis 5, umfassend eine oder mehrere Kapazitäten C_P und ein Widerstand R_P gezeigt. Dabei gilt das vorstehend für den Serienkreis 6 diskutierte entsprechend für den Parallelkreis 5. Nicht jedes der in 1 dargestellten Elemente ist für die Erfindung tatsächlich zwingend erforderlich. Genügen eines oder mehrere der Bauteile des Parallelkreises 5 für die Kompensation der variierenden Parameter der LED 4, so können die nicht benötigten Bauelemente auf der Leiterplatte zwar vorgesehen, aber in geeigneter Weise mittels Kurzschluss, zum Beispiel leitende Verbindung, und/oder Leerlauf zum Beispiel nicht bestücken der Position verwirklicht werden.
Eine weitere alternative oder zusätzliche in 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Kompensation von Eigenschaften der LED 4 ist ein Gegentaktkreis 5, umfassend eine oder mehrere Kapazitäten C_D beziehungsweise C_P1 und einen Widersand R_P gezeigt. Dabei gilt das vorstehend für den Parallelkreis 5 und den Serienkreis 6 diskutierte entsprechend für den Gegentaktkreis 7.
Eine weitere alternative oder zusätzliche in 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Kompensation von Eigenschaften der LED 4 ist ein Gleichtaktkreis 8, umfassend eine oder mehrere Kapazitäten C_C und einen Widerstand R_C gezeigt. Dabei gilt das vorstehend für den Parallelkreis 5, den Serienkreis 6 und den Gegentaktkreis 7 diskutierte entsprechend für den Gleichtaktkreis 8.
Wurden anhand der in 1 diskutierten Beispiele für die Ausführung einer Leuchtdiode zugeordneten Schaltung 2 allgemeine passive Bauelemente, insbesondere Widerstand R und Kapazität C für den Serienkreis 6, den Parallelkreis 5, den Gleichtaktkreis 8 und den Gegentaktkreis 7 genannt, so ist der erfindungsgemäße Gegenstand ebenso mit Induktivitäten L in entsprechenden Schaltungsanordnungen umzusetzen. Kapazitäten C und Widerstände R sind als passive Bauelemente mit geringen Abmessungen verfügbar und daher besonders für die Verwendung in der jeder einzelnen LED 4 zugeordneten Schaltung geeignet.
Mittels des erfindungsgemäßen Leuchtmittels 2 aus LED 4 und jeweils zugeordneter Schaltung sind temperaturabhängig schwankende Parameter zu kompensieren, indem für ein oder mehrere Bauelemente temperaturabhängige und insbesondere passive Bauelemente, beispielsweise Thermistoren, eingesetzt werden.
Ein Thermistor ist ein variabler elektrischer Widerstand, dessen Widerstandwert sich mit der Temperatur reproduzierbar ändert. Kennzeichnend für den Thermistor ist also eine Änderung des Widerstandwerts bei Änderung der Temperatur. In erster Näherung kann die Abhängigkeit des Widerstands R von der Temperatur T als lineare Gleichung mit einem Proportionalitätsfaktor K beschriebenen werden. Der Faktor K wird als Temperaturkoeffizient erster Ordnung beschrieben. Ist k > 0, wird auch von einem Kaltleiter (PTC) gesprochen. Ist k < 0, so sinkt der Widerstandswert mit steigender Temperatur und der Thermistor wird als Heißleiter (NTC) bezeichnet.
Durch den Einsatz von NTC-Elementen oder PTC-Elementen in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung lassen sich beispielsweis temperaturabhängige Streuungen der Parameter von LEDs 4 kompensieren.
Die Bauelemente der Schaltungen 5, 6, 7, 8 können als diskrete Bauelemente oder als integrierte Bauelemente auf der Leiterplatte realisiert sein.
Bevorzugt sind Bauelemente der Schaltungen 5, 6, 7, 8 als oberflächenmontierte Bauelemente (SMD) ausgeführt. Insbesondere oberflächenmontierte Kondensatoren und Widerstände sind aufgrund ihres geringen Raumbedarfs und der geringen Kosten dafür bevorzugt.
Alternativ oder zusätzlich können die Bauelemente der Schaltungen 5, 6, 7, 8 als integrierte Bauelemente auf der Leiterplatte verwirklicht werden. In diesem Fall können die Bauelemente über ein geeignetes Verfahren, beispielsweise ein Lasertrimmverfahren angepasst werden, um das erfindungsgemäße LED-Modul abzugleichen.
Als Lasertrimmen oder Laserabgleich wird ein Verfahren zum Abgleich (Trimmen) von Bauteilen durch laserstrahlinduzierte Materialveränderungen bezeichnet. Beispielsweise können durch Materialabtrag mittels eines Lasers Widerstände in Dickschichtschaltungen, Dünnschichtschaltungen und auf integrierten Schaltkreisen auf den exakten Widerstandswert (Passivabgleich) oder die Funktion der Schaltung 5, 6, 7, 8 (Aktivabgleich) abgeglichen werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird in der zusammengebauten Leuchte (Beleuchtungsanordnung) ein Abgleichvorgang ausgeführt, um eine Kompensation von Streuungen der Parameter der einzelnen LEDs 4 für das LED-Modul 1 zu erreichen. Damit sind auch dynamische Eigenschaften der Leuchte zu beeinflussen.
Anhand 3 wird zunächst eine der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung erläutert. In 3 wird ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit eine Schaltung mit zwei parallele LEDs 4 gezeigt. Die im Folgenden anhand 3 getätigten Aussage gelten aber ebenso für eine Schaltungsanordnung umfassend eine Vielzahl von LEDs 4 in Parallel- und Serienanordnung.
LEDs 4 weisen unterschiedliche statische und dynamische Eigenschaften auf, beispielsweise können sich LEDs 4 hinsichtlich von Parametern wie Vorwärtsspannungsklasse (Vorwärtsspannungsbin), Sperrschichtkapazität, Diffusionskapazität und optische Effizienz unterscheiden. In 3 wird für die LED₁ 4 eine Vorwärtsspannungsklasse von 0,0 V und eine Sperrschichtkapazität von 2 pF angenommen. Für die LED₂ 4 wird eine Vorwärtsspannungsklasse von +0,1 V angenommen und ebenfalls eine Sperrschichtkapazität von 2 pF angenommen. Eine Diffusionskapazität der Dioden LD₁ 4 und LD₂ 4 wäre üblicherweise um Größenordnungen größer als die Sperrschichtkapazität. Die Diffusionskapazität einer LED 4 ist nicht spannungsabhängig. Die Diffusionskapazität könnte für die in 3 dargestellte Schaltung durch jeweils eine parallele Kapazität in Höhe von 25 pF für LD₁ und zu 100 nF für LD₂ modelliert werden. Die Leuchtdioden LD₁ und LD₂ werden durch eine Spannungsquelle 23 mit einer Spannung U₁ versorgt. U₁ hat im dargestellten Fall einen Wert von 3 V. Der Widerstand R_M1 dient zur Messung des Stroms durch die Diode LD₁. Der Widerstand R_M2 dient entsprechend als Messwiderstand zur Messung des Stroms durch die Diode LD₂.
In 4 wird für die nach 3 modellierte Schaltung aus zwei LEDs 4 die Strom-Spannungskennlinie der beiden LEDs LD₁ 4 und LD₂ 4 gezeigt. Auf der horizontalen Achse in 4 ist dabei die an der jeweiligen LED 4 anliegende Spannung dargestellt, während in vertikaler Richtung der Strom durch die jeweilige LED LD₁, LD₂ 4 aufgetragen ist. Die Strom-Spannungskennlinie 29 für die LED LD₁ 4 hat ebenso wie die Strom-Spannungskennlinie 28 der LED LD₂ 4 im unteren Spannungsbereich einen großen Widerstand, der zu größeren Spannungswerten hin abnimmt.
In 5 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus den Strom-Spannungskennlinien 28, 29 der LEDs LD₁ 4 und LED LD₂ 4 gezeigt.
Für die Ermittlung der konkreten Parameter der Schaltungen 5, 6, 7 und 8 kann im jeweiligen Anwendungsfall der jeweils genutzte Betriebsgerätetyp und sogar das jeweils eingesetzte Betriebsgerät 3 auf die tatsächlichen Schaltungsparameter einen Einfluss haben. Beispielsweise könnten sich einzelne Betriebsgeräte 3 desselben Betriebsgerätetyps in Hinblick auf hochfrequente Oberschwingungen (HF-Ripple) in der Ausgangsspannung bzw. des bereitgestellten Konstantstroms zur Speisung der LEDs 4 unterscheiden. Ebenso lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Vorgehens eine gesamte Leuchtenanordnung im aufgebauten Zustand hinsichtlich ihrer parasitären Eigenschaften und deren Schwankungen kompensieren. Die Beleuchtungsanordnung 1 kann beispielsweise als spritzgegossene Kunststoffbauteile aufgebaut sein. Spritzgegossene Kunststoffbaugruppen („Molded Interconnect Devices”, englisch für: Spritzgegossene Schaltungsträger, kurz MID) sind Schaltungsträger mit nach speziellen Verfahren aufgebrachten metallischen Leiterbahnen, die als Leiterplatten für elektronische oder auch mechatronische Baugruppen dienen. MIDs können auf verschiedenste Art gefertigt werden. Einsetzbare Verfahren zur Aufbringung der Leiterbahnen sowie beispielsweise schirmenden Flächen sind beispielsweise Zweikomponentenspritzguss, Heißprägen, das Maskenbelichtungsverfahren, Laserstrukturierung. Grundsätzlich kann zwischen subtraktiv strukturierenden und additiv metallisierenden Verfahren unterschieden werden. Das als Beispiel genannte Laserstrukturierverfahren umfasst als Verfahrensschritte Metallisieren einer gesamten Bauteiloberfläche und anschließendes Auftragen eines Ätzresists. Mit Hilfe eines Lasers wird der Ätzresist strukturiert und eine freigelegte Kupferschicht als Beispiel für die Metallschicht weggeätzt.
Spritzgegossene Kunststoffbaugruppen werden im Rahmen der Erfindung zunächst bestückt und anschließend hinsichtlich ihrer optischen und elektrischen Eigenschaften vermessen. Darauf werden die den einzelnen LEDs 4 zugeordneten Schaltungen 5, 6, 7, 8 mit ihren Parametern und Bauelementewerten bestimmt und anschließend beispielsweise mit geeigneten Bauelementen mit bestimmten Werten für die Kompensation schwankender LED-Parameter nachbestückt.
Die Erfindung ermöglicht die Kompensation unterschiedlicher elektrischer und optischer Effizienzen der LEDs LD₁ und LD₂ einer LED-Anordnung. Dies wird anhand des in 6 gezeigten Schaltungsmodells für zwei in Serienschaltung betriebene LEDs LD₁ 4 und LD₂ 4 und den zugehörigen in den 7 und 8 dargestellten Simulationsergebnissen zu der Schaltung nach 6 gezeigt.
LEDs sind in unterschiedlichen Vorwärtsspannungsklassen eingeteilt. Die Einteilung in Vorwärtsspannungsklassen beeinflusst bei Parallelverschaltung von LEDs die Aufteilung des Stroms auf die parallelen Zweige und eine Temperaturerhöhung einer LED 4 infolge einer schlechteren elektrischen Effizienz. Weiter können LEDs 4 auch eine unterschiedliche optische Effizienz aufweisen. Die Lichtabgabe einer LED 4 wird einerseits durch den Strom durch die LED 4 bestimmt, andererseits ist die Lichtabgabe der LED 4 auch durch die optische Effizienz des Aufbaus der LED 4 einschließlich einer lichtemittierenden Schicht bestimmt.
In 6 wird für die LED₁ 4 eine Vorwärtsspannungsklasse von 0,0 V und eine Sperrschichtkapazität von 2 pF angenommen. Für die LED₂ 4 wird eine Vorwärtsspannungsklasse von +0,1 V und eine Sperrschichtkapazität von 2 pF angenommen. Die in Serie geschalteten Leuchtdioden LD1 4 und LD2 4 werden durch eine Stromquelle 23 mit einer Spannung I₁ versorgt. Dabei fällt zwischen den Anschlussklemmen der Stromquelle 30 eine Spannung U1 ab. Der Widerstand R_m1 (Shuntwiderstand) dient zur Messung des Stroms durch die Diode LD₁. Der Widerstand R_m2 dient entsprechend als Messwiderstand zur Messung des Stroms durch die Diode LD₂. Die optische Effizienz der LED LD₁ wird zu 100% angenommen, die optische Effizienz der LED LD₂ wird zu 95% angenommen
In 6 ist LD₁ die effizientere LED 4. Zugleich wird aber entsprechend einer Ausführung der Erfindung jede der beiden LEDs LD₁, LD₂ mit einer zugeordneten Schaltung 5, 6, 7, 8 betrieben. In 6 ist die der LED LD1 zugeordnete Schaltung 5, 6, 7, 8 in Form eines zu LD₁ parallelen ohmschen Widerstands RP1 mit 100 kΩ realisiert. Die der LED LD₂ zugeordnete Schaltung 5, 6, 7, 8 ist in Form eines zu LD2 parallelen ohmschen Widerstands RP2 mit 100 GΩ realisiert. Damit kann der parallele ohmschen Widerstands R_P2 für die Analyse der Schaltung vernachlässigt werden, da R_P2 hochohmig ist und schaltungstechnisch einen Leerlauf darstellt.
Im Rahmen einer Simulation lässt sich die unterschiedliche optische Effizienz der LEDs LD₁ und LD₂ durch eine entsprechende Multiplikation des Stroms durch die LED mit 0,95 für die LED LD₂ und mit 1,00 für die LED LD₁ berücksichtigen.
Die Ergebnisse der Simulation des LED-Moduls 1 nach 6 ergeben die in den 7 und 8 gezeigten Verläufe der Strom-Spannungskennlinie.
7 gibt die Ergebnisse einer Simulation der Schaltung nach 6 für kleine Ströme I₁ wider.
Die erfindungsgemäße Kompensation bewirkt eine gute Annäherung der Strom-Spannungskennlinien 31, 32 für die LEDs LD₁ und LD₂. Die jeweiligen unterschiedlichen optischen Effizienz und unterschiedlichen Vorwärtsspannungsklassen der LEDs LD₁ und LD2. Werden durch die zugeordneten Schaltungen für geringe Ströme kompensiert. Aufgrund des geringeren parallelen Widerstands R_P1 für die effizientere LED LD₁ verglichen mit der der ineffizienteren LED LD₂ wird LD₁ mit einem Bypass betrieben. Dadurch ist der Strom durch die LED LD₁ geringer und die von der LED LD₁ abgegebene für einen Betrachter wahrnehmbare Lichtleistung ist für die Leds LD₁ und LD₂ im in 7 dargestellten Strom-Spannungskennlinienbereich etwa gleich. Für kleine Ströme ist die Annäherung der Kurvenverläufe und damit der Lichtabgabe der beiden in Serie geschalteten LEDs LD₁ und LD₂ gegeben, da für geringe Ströme eine LED einen vergleichsweise geringen Widerstand aufweist. Im dargestellten Fall ist daher die die Kompensation mittels paralleler Kompensationskreis umfassend einen ohmschen Widerstand für unterschiedliche Eigenschaften der LEDs wirksam.
Im in den 6 bis 8 wird die erfindungsgemäße Kompensation auf einen für einen kritischen Arbeitspunkt von 500 μA durchgeführt.
Im in 6 dargestellten Fall entspricht die Strom-Spannungskennlinie dem Lichtstrom, das heißt die Strom-Spannungskennlinie ist mittels Multiplikation mit 0,95 bzw. mit 1,00 zur Berücksichtigung der jeweiligen unterschiedlichen optischen Effizienz der LEDs LD₁ und LD₂ korrigiert.
Der 8 ist zu entnehmen, dass bei größeren Strömen die Strom-Spannungskennlinien für die beiden LEDs LD₁ und LD₂ unterschiedliche Kennlinienverläufe aufweisen. Bei größeren Strömen weisen LEDs einen kleinen Widerstand auf. Die Kompensation mit einem parallelen Widerstand ist in diesem Fall nicht wirksam.
Für größere Lichtstärke ist die Intensitätswahrnehmung des menschlichen Auges für die Lichtintensität deutlich geringer als für kleinere Lichtstärken. Damit ist die die Optimierung der Kompensation der unterschiedlichen Eigenschaften der LEDs LD₁ und LD₂ für geringe Ströme durch die LEDs und damit für geringe Lichtströme für den kritischen Bereich, also beispielsweise geringe Dimmwerte, wirksam und ausreichend.
Anhand der in 9 dargestellten Ausführung der Erfindung und den in den 10, 11, 12 und 13 dargestellten Ausführungen wird die Kompensation parasitärer Wechselspannungen gegen Masse an einem Ausgang eines Betriebsgeräts 3 gezeigt.
Betriebsgeräte 3 für Leuchtmittel allgemein und für LEDs im Besonderen können parasitäre Störspannungen gegenüber Masse an einem der Ausgänge, über den die zu versorgenden LEDs gespeist werden, aufweisen. In der Schaltung nach 9 wird eine solche Störspannung mittels Wechselspannungsquelle 33 und Spannungsbegrenzer 34 dargestellt.
Eine Leiterplatte, auf die die LEDs 4 montiert sind, kann parasitäre Koppelkapazitäten gegenüber der Masse aufweisen. In der in 9 dargestellten Ausführung der Erfindung werden solche Koppelkapazitäten durch die Kapazitäten C_P1 und C_P2 zwischen dem Ausgang der LEDs LD₁ und LD₂ und Masse dargestellt. Für Leuchtdiodenanwendungen typische Leiterplatten mit Aluminiumkern, 60 mmm² mit 100 μF Dielektrikum sind für C_P1 35 und C_P2 36 Kapazitätswerte von 20 pF kennzeichnend.
Die in 9 gezeigten Dioden D₁ 37 und D₂ 38 berücksichtigen die in LEDs 4 üblicherweise eingesetzten Schutzdioden. Schutzdioden gewährleisten den Schutz der LEDs 4 vor elektrostatischer Entladung (ESD).
Die LEDs LD₁ und LD₂ werden über eine Konstantstromquelle 30 mit einem konstanten Strom I₁ gespeist.
Die zu den LEDs LD₁ und LD₂ 4 in Serie geschalteten Widerstände R_m1 39 und R_m2 40 sind Messwiderstände (Shuntwiderstände) zur Messung der Ströme I_LD1 und I_LD2 durch die LEDs LD₁ und LD₂.
In 10 werden zunächst die grundsätzlichen Verläufe der parasitären Spannung U1' gegen Masse sowie die Verläufe der dadurch verursachten Leckströme I_LD1 und I_LD2 über die LEDs LD₁ und LD₂ zur Masse dargestellt. Die in 9 dargestellten Schaltungen zur Kompensation parasitärer Effekte sind bei den in 10 dargestellten Verläufen nicht berücksichtigt.
Die in der unteren Teilfigur 41 der 10 dargestellte Kurve repräsentiert den Verlauf der Störspannung U₁'. Dazu wird die Wechselspannungsquelle eine Spannung U₁ mit einer Spannungsamplitude von 230 V und einer Frequenz von 50 Hz erzeugt. Die Spannung U₁ weist einen zusätzlichen Gleichspannungsanteil (Offset) von 230 V auf. Die Spannung U₁ wird anschließend an den Eingang eines Spannungsbegrenzer 34 gegeben, an dessen Ausgang die Spannung U₁' zu Verfügung steht. Der Spannungsbegrenzer 34 des Ausführungsbeispiels begrenzt die am Eingang anliegende Spannung U₁ auf einen Spannungsbereich zwischen einer unteren Grenze von 0 V und einer oberen Grenze von 320 V. Damit wird am Ausgang des Spannungsbegrenzers 34 die Spannung U₁' mit der in der unteren Teilfigur 41 der 10 dargestellten Verlauf als Störspannung gegen Masse bereitgestellt. Die Spannung U₁' verursacht jeweils einen Strom I_LD1 und I_LD2 durch die LEDs LD₁ und LD₂, deren Verläufe in der oberen Teilfigur 42 der 10 dargestellt sind.
Aus 10 ist zu entnehmen, dass die zeitabhängige Störspannung U₁' in der Schaltung nach 9 auch dann Ströme I_LD1 und I_LD2 über die LEDs LD₁ und LD₂ verursacht, wenn die Konstantstromquelle 30 keinen Strom bereitstellt. Dabei ist der Verlauf 43 des Stroms I_LD1 durch die LED LD1 größer als der Verlauf 44 des Stroms ILD2 durch die LED LD2, da ein Teil des Stroms I_LD1 über die Kapazität C_P1 zur Masse abfließt. Die Ströme I_LD1 und I_LD2 verursachen eine Lichtabgabe der LEDs LD₁ und LD₂ selbst dann, wenn das durch die Konstantstromquelle 30 dargestellte Betriebsgerät 3 keinen Strom I₁ einprägt. Dabei ist 10 zu entnehmen, dass die Lichtabgabe der LED LD₁ größer als die Lichtabgabe der LED LD₂ ist.
In 11 werden der Verlauf 41 der Störspannung U₁' und in der oberen Teilfigur 45 die Verläufe 46, 47 der Ströme I_LD1 und I_LD2 durch die LEDs LD₁ und LD₂ für eine erste Auslegung der Schaltungen 5, 6, 7, 8 gemäß der Erfindung gezeigt. Dabei besteht die der LED LD₁ zugeordnete Schaltung aus einem zu LD₁ parallelen Widerstand R_p1 mit 100 GΩ. Die der LED LD₂ zugeordneten Schaltung besteht aus einer parallelen Kapazität Cp2 mit 1,5 nF.
Aus der oberen Teilfigur 45 der 11 ist zu entnehmen, dass der Strom I_LD2 infolge der Kompensation gegenüber dem in 10 dargestellten Verlauf des Stroms für eine Kapazität Cp2 verringerte Amplitude und geringere Zeitdauer zeigt. Der Einfluss der Störspannung U₁' auf die LED LD₂ wird infolge der Kompensation durch den parallelen Schaltungskreis mit einem passiven Bauelement, hier einer Kapazität C_p2, verringert. Die parallele Kapazität C_p2 vermindert zwar den Störstrom I_LD2, kann ihn aber nicht vollständig unterdrücken. Während in 11 der Störstrom ILD1 eine unerwünschte Lichtabgabe der LED LD₁ verursacht, ist die unerwünschte Lichtabgabe der LED LD₂ zwar vermindert, aber nicht vollständig eliminiert.
In 12 werden der Verlauf 41 der Störspannung U₁' und in der oberen Teilfigur 46 die Verläufe 47, 48 der Ströme I_LD1 und I_LD2 durch die LEDs LD₁ und LD₂ für eine zweite Auslegung der Schaltungen 5, 6, 7, 8 gemäß der Erfindung gezeigt. Dabei besteht die der LED LD₁ zugeordnete Schaltung aus einem zu LD₁ parallelen Widerstand R_p1 mit 100 GΩ. Die der LED LD₂ zugeordneten Schaltung besteht aus einer parallelen Kapazität C_p2 mit 3,0 nF.
Aus der oberen Teilfigur 46 der 12 ist zu entnehmen, dass der Strom I_LD2 infolge der Kompensation gegenüber dem in 10 dargestellten Verlauf des Stroms für die gewählte Dimensionierung der Kapazität C_p2 nahezu vollständig unterdrückt wird. Der Einfluss der Störspannung U₁' auf die LED LD₂ wird infolge der Kompensation durch den parallelen Schaltungskreis mit einem passiven Bauelement, hier einer Kapazität C_p2, kompensiert. Während in 11 und 12 der Störstrom I_LD1 eine unerwünschte Lichtabgabe der LED LD₁ verursacht, ist die unerwünschte Lichtabgabe der LED LD₂ in 12 vollständig eliminiert. Die Kompensation des parasitären Stroms I_LD2 mit einer parallelen Kapazität ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil keine statischen Verluste auftreten.
In 13 werden der Verlauf 41 der Störspannung Urin der unteren Teilfigur und in der oberen Teilfigur 49 die Verläufe 50, 51 der Ströme I_LD1 und I_LD2 durch die LEDs LD₁ und LD₂ für eine dritte Auslegung der Schaltungen 5, 6, 7, 8 gemäß der Erfindung gezeigt. Dabei besteht die der LED LD₁ zugeordnete Schaltung aus einem zu LD₁ parallelen Widerstand R_P1 mit 100 GΩ. Die der LED LD₂ zugeordneten Schaltung besteht aus einem parallelen Widerstand R_p2 mit 100 kΩ.
Aus der oberen Teilfigur 49 der 13 ist zu entnehmen, dass der Strom ILD2 infolge der Kompensation mit einem parallelen Widerstand gegenüber dem in 10 dargestellten Verlauf des Stroms für die gewählte Dimensionierung des Widerstands Rp2 nahezu vollständig unterdrückt wird. Der Einfluss der Störspannung U₁' auf die LED LD2 wird infolge der Kompensation durch den parallelen Schaltungskreis mit einem passiven Bauelement, hier einem Widerstand Rp2, kompensiert. Während in 13 der Störstrom I_LD1 eine unerwünschte Lichtabgabe der LED LD1 verursacht, ist die unerwünschte Lichtabgabe der LED LD2 in 13 vollständig eliminiert. Die Kompensation des parasitären Stroms I_LD2 mit einer parallelen Widerstand ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil keine Veränderung der kapazitiven Last an dem die LEDs 4 speisenden Betriebsgerät 3 erfolgt, während für die gewählte Dimensionierung von R_p2 = 100 kΩ die Verluste zu vernachlässigen sind.
Die erfindungsgemäße Kompensation durch den einzelnen LEDs 4 zugeordnete Schaltungen 2 lässt sich ebenso vorteilhaft für die Kompensation unerwünschter dynamischer Eigenschaften nutzen.
LEDs 4 werden häufig in einem pulsweitenmodulierten Betrieb (PWM-Betrieb) gespeist, insbesondere um eine Dimmfunktion zu realisieren. Für niedrige Lichtstärken wird das Tastverhältnis im PWM-Betrieb verringert, um so mittels •kürzerer Pulse eine geringere Lichtabgabe der LEDs 4 zu erzielen. Bei kurzen Pulsen für geringe Lichtabgabe bei geringen Dimmfaktoren werden parasitäre kapazitive Eigenschaften der LED bedeutsam.
In 10 ist ein Schaltungsaufbau dargestellt, anhand dessen die erfindungsgemäße Kompensation nach einem Ausführungsbeispiel bei einem pulsweitenmodulieren Betrieb gezeigt wird.
Eine gepulste Stromquelle 52 repräsentiert das Betriebsgerät 3 im PWM-Betrieb. Die gepulste Stromquelle prägt einen gepulsten Strom I₁ mit einer Pulsdauer im Millisekunden-Bereich, einer Pulsfrequenz von 500 Hz und einer Pulsamplitude von 100 μA. Für die in den 15 und 16 gezeigten Simulationsergebnisse für die Schaltung nach 14 wurde eine Periodendauer von 10 μs verwendet. Die Pulsdauer wurde zu 2 μs angenommen, wenn auf 0,1% gedimmt wird und die Periodendauer 2 ms beträgt. Die Anstiegs- und Abfallzeiten der Pulsflanken des Strompulses wurden mit 10 ns angenommen.
Die LEDs LD₁ und LD₂ weisen in der Schaltung nach 14 unterschiedliche optische Effizienz auf. Die LED LD₁ 4 hat eine optische Effizienz von 100% (1,00) und die LED LD₂ 4 hat eine optische Effizienz von 95% (0,95). In den Diagrammen in den 15 und 16 wird die unterschiedliche Effizienz der LEDs LD₁ und LD₂ mittels Skalierung der Ordinate mit den Faktoren 1,00 und 0,95 berücksichtigt. Damit entsprechen die in 15 und 16 jeweils dargestellten Verläufe der Ströme I_LD1 und I_LD2 dem von den LEDs LD₁ und LD₂ entsprechend abgegebenen Lichtströmen.
Die Widerstände R_m1 und R_m2 sind Messwiderstände zur Messung der durch die LEDs LD₁ und LD₂ fließenden Ströme I_Ld1 und I_Ld2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Messwiderstände R_m1 und R_m2 zu jeweils 0,1 mΩ angenommen.
Die LEDs LD₁ und LD₂ werden gemäß dem Ausführungsbeispiel in 14 jeweils mit einem Parallelkreis mit einer parallelen Kapazität C_p1 und C_p2 dargestellt.
Für die in 15 dargestellte Simulation der Ströme I_LD1 und I_LD2 bzw. der von de LD₁ und LD₂ abgegebenen Lichtströme wird für die parallelen Kapazitäten C_p1 und C_p2 jeweils ein Wert von 1 fF angenommen. Damit sind die die Kapazitäten C_p1 und C_p2 in 14 nicht vorhanden.
In 15 ist der von der Diode LD₂ abgegebene Lichtstrom I_L1 54 5% geringer als der von der Diode LD1 abgegebene Lichtstrom I_L2 55. Dies ist eine Folge der geringeren optischen Effizienz der LED LD₂ verglichen mit der LED LD₁. Eine erfindungsgemäße Kompensation erfolgt für die dargestellten Ergebnisse in 15 nicht.
Für die Darstellung in 16 wird hingegen die LED LD₁ mittels eines erfindungsgemäßen Parallelkreises mit einer parallelen Kapazität CP₁ kompensiert. Für C_P1 ist dabei eine Wert von C_p1 = 5 pF angenommen. Der Verlauf 56 des Lichtstroms I_L2 ist dabei gegenüber der Darstellung in 15 unverändert. Dagegen bewirkt bereits die geringe parallele Kapazität C_p1 eine Angleichung des Lichtstroms I_L1 an den Lichtstrom I_L2. Berücksichtigt man zusätzlich die Wahrnehmung durch das menschliche Auge als arithmetischen Mittelwert über die Zeit für den Verlauf des Lichtstroms, so sind die wahrnehmbaren Lichtströme für die LEDs LD₁ und LD₂ annähernd gleich. Die Kompensation dynamischer Eigenschaften der LEDs 4 nach der dargestellten Ausführung der Erfindung führt somit zu einem Ausgleich der Helligkeitsunterschiede der LEDs LD₁ und LD₂.
Anhand eines Flussdiagramms wird in 17 die erfindungsgemäße Kompensation parasitärer Eigenschaften einer LED-Anordnung mittels den einzelnen LEDs jeweils zugeordneten Schaltungen erläutert.
Zunächst sind in einem Schritt S1 Werte U, I, Φ_v für die einzelnen LEDs zu ermitteln. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem Daten aus einer Fertigung der LEDs 4, beispielsweise bezogen auf eine Fertigungscharge, herangezogen werden.
Für das LED-Modul 1 umfassend eine Vielzahl LEDs 4 ist in einem weiteren Schritt S2 ein kritischer Arbeitspunkt, beispielsweise gekennzeichnet durch einen Bereich des abzugebenden Lichtstroms Φ_v für LED-Modul 1 in diesem Arbeitspunkt festzulegen. Dies kann insbesondere ein Bereich mit einem lediglich geringen abzugebenden Lichtstrom Φ_v für das LED-Modul 1 sein
In einem Schritt S3 sind Messwerte für die Spannung U, den Strom I und den Lichtstrom Φ_v für das mit LEDs 4 bestückte LED-Modul 1 zu ermitteln. Insbesondere können diese Messwerte auch in einer Leuchte für eines oder mehrere in der Leuchte montierte LED-Module 1 ermittelt werden.
Die Schritte S1, S2 und S3 können in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Die Schritte S1 und S3 können auch alternativ ausgeführt werden.
Anschließend erfolgt in Schritt S4 die Auswahl einer Schaltungstopologie für die jeder LED zugeordnete Schaltungsanordnung 5, 6, 7, 8. Es ist insbesondere zu bestimmen, ob der Abgleich des LED-Moduls 1 und die Kompensation parasitärer Effekte mittels Parallelkreis 5, Serienkreis 6, Gleichtaktkreis 8 oder Gegentaktkreis 7 oder eine beliebige Kombination der genannten Schaltungen 5, 6, 7, 8 erfolgt.
In einem anschließenden Schritt S5 werden geeignete Bauelemente für die gewählte Schaltung 5, 6, 7, 8 ausgewählt. Geeignete Bauelemente können passive Bauelemente wie Widerstände, Kapazitäten, möglicherweise auch Induktivitäten sein. Ebenso können für die Kompensation temperaturabhängiger Effekte Thermistoren, beispielsweise Kaltleiter und/oder Heißleiter, ausgewählt werden.
In einem nachfolgenden Schritt S5 werden die Bauelementwerte für die in Schritt S4 ausgewählten Bauelemente bestimmt und realisiert. Dies kann durch Bestücken vorgesehener Positionen auf einer Leiterplatte mit diskreten Bauelementen erfolgen, mittels Abgleich, insbesondere mittels Lasertrimmen von vorgefertigten, als verteilte Bauelemente ausgeführte Bauelemente. Mittels Kurzschluss oder Leerlauf lassen sich beispielsweise nicht benötigte Bauelemente der Schaltungsanordnungen 5, 6, 7, 8 berücksichtigen.
Anhand der vorstehend erläuterten Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Wirkungen gezeigt. Dabei können die Merkmale der gezeigten Ausführungsbeispiele im Rahmen der durch die Ansprüche definierten Erfindung miteinander kombiniert werden, die aus Gründe der übersichtlichen Darstellung anhand der Figuren getrennt gezeigt und diskutiert werden.

Claims

LED-Anordnung umfassend eine Mehrzahl von Leuchtdioden (4) und den Leuchtdioden (4) zugeordnete Schaltungen (5, 6, 7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leuchtdiode (4) genau eine Schaltung (5, 6, 7, 8) zugeordnet ist, und die Schaltung (5, 6, 7, 8) ausgelegt ist, einen Parameter der zugeordneten Leuchtdiode (4) anzupassen.
LED-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (5, 6, 7, 8) ein oder mehrere passive Bauelemente umfasst.
LED-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Bauelemente Kapazitäten und/oder Widerstände und/oder Induktivitäten sind.
LED-Modul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Bauelemente Heißleiter und/oder Kaltleiter umfassen.
LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Bauelemente oberflächenmontierte Bauelemente und/oder mittels eines Abgleichverfahrens, insbesondere Lasertrimmen, anpassbare Bauelemente umfassen.
LED-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Bauelemente mittels eines Abgleichverfahrens anpassbare Bauelemente umfassen, und dass die anpassbaren Bauelemente jeweils in einem kritischen Arbeitspunkt der Leuchtdioden (4), insbesondere für einen kleinen Dimmwert, abgeglichen werden.
LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Anordnung eingerichtet ist, den Parameter der Leuchtdioden (4) zu messen.
LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (5, 6, 7, 8) mindestens eine der Schaltungsanordnungen umfassend einen Serienkreis (5), einen Parallelkreis (6), einen Gleichtaktkreis (7) und einen Gegentaktkreis (8) umfasst.
Beleuchtungsanordnung umfassend zumindest eine LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsanordnung eingerichtet ist, die Parameter der Leuchtdioden (4) nach einem Zusammenbau der Beleuchtungsanordnung zu messen.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsanordnung eingerichtet ist, die Parameter der Leuchtdioden (4) nach einem Zusammenbau der Beleuchtungsanordnung abzugleichen.
Leiterplatte für die Bestückung mit Leuchtdioden (4) und mit den Leuchtdioden jeweils zugeordneten Schaltungen (5, 6, 7, 8) für eine LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Leuchtmittel umfassend eine Leuchtdiode (4) und eine der Leuchtdiode (4) zugeordnete Schaltung (5, 6, 7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (5, 6, 7, 8) ausgelegt ist, wenigstens einen Parameter der Leuchtdiode (4) auf einen vorgebbaren Wert anzupassen.
Leuchtmittel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (5, 6, 7, 8) ein oder mehrere passive Bauelemente umfasst.
Leuchtmittel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Bauelemente Kapazitäten und/oder Widerstände und/oder Induktivitäten sind.
Leuchtmittel nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Bauelemente Heißleiter und/oder Kaltleiter umfassen.
Leuchtmittel nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Bauelemente oberflächenmontierte Bauelemente und/oder mittels eines Abgleichverfahrens, insbesondere Lasertrimmen, anpassbare Bauelemente umfassen.
Leuchtmittel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Bauelemente mittels eines Abgleichverfahrens anpassbare Bauelemente umfassen, und dass die anpassbaren Bauelemente jeweils in einem kritischen Arbeitspunkt der Leuchtdiode, insbesondere für einen kleinen Dimmwert, abgeglichen wird.
Leuchtmittel nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode eingerichtet ist, den Parameter der Leuchtdiode zu messen.
Leuchtmittel nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (5, 6, 7, 8) mindestens eine der Schaltungsanordnungen umfassend einen Serienkreis (5), einen Parallelkreis (6), einen Gleichtaktkreis (7) und einen Gegentaktkreis (8) umfasst.