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 elektronischen Leuchtkörpern wie lichtemittierenden Dioden
realisiert, wobei jedoch die erzielbaren Lichtleistungen begrenzt sind.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein PWM-Ansteuerverfahren sowie eine
entsprechende Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln,
daß die Leuchtkörper oder Leuchtmittel bei Kraftfahrzeugen optimaler genutzt werden
können.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den
Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kern der Erfindung ist hinsichtlich des Verfahrens darin zu sehen, daß bei Betätigung
von Leuchtkörpern oder Leuchtmitteln, insbesondere von Kfz-Signallampen zur
Erzielung eines temporären Helligkeitsmaximums der Spitzenstrom im gepulsten PWM-Betrieb
ein mehrfaches des maximalen Dauerstromes ist, wobei der arithmetische
Mittelwert gleich der maximal zulässigen Stromstärke für den Dauerbetrieb ist. Dadurch
werden die Leuchtmittel temporär im Überlastbereich betrieben. Aufgrund des
quadratischen Zusammenhangs zwischen Strom und Leistung bei ohmischen
Vorgängen führt dies zu einer Erhöhung der effektiven Leistung, obwohl die jeweilige
mittlere Stromstärke gleich ist. Insbesondere bei nur temporär aktiven Verbrauchern ist
dabei die kurzzeitige erhöhte Leistungsaufnahme unkritisch und führt nicht zur
Zerstörung der Leuchtmittel.
Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei lichtemittierenden
Dioden LED's anwenden, um deren anderweitige Vorteile zum Tragen zu bringen, wie
beispielsweise geringere Verlustwärme und kompakter Aufbau. Zwar nimmt bei LED's
die Lichtleistung nur noch linear mit der Stromstärke zu, so daß die insgesamt emittierte
Lichtleistung konstant ist, jedoch stellt sich für den menschlichen Betrachter insgesamt
aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges ein helleres Erscheinungsbild ein.
Deren 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 die wahrnehmbare
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 von 50 Hz 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. Hierzu wird bei
niedrigeren Bordnetzspannungen und somit niedrigeren Stromstärken für die
Strompulse die Pulseinzeit entsprechend verlängert.
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 einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leuchtkörper oder Leuchtmittel als
Signalleuchten in einem Kraftfahrzeug ausgebildet, wie beispielsweise Bremsleuchten,
Zusatzbremsleuchten oder Rückfahrlichter, da bei diesen nur kurzzeitig hohe
Leuchtdichten benötigt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind
Fahrtrichtungsanzeiger.
Zur Erzeugung der notwendigen Spitzenströme im Bordnetz kann entweder die
Bordnetzspannung selbst höher ausgelegt sein oder wenigstens ein Teilbordnetz mit
höheren Spannungen umfassen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung
von Spannungs- und Stromvervielfachern, die elektrisch oder elektronisch aufgebaut
sind, wie beispielsweise ein DC/DC- Wandler.
Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und nachfolgend näher
beschrieben.
Es zeigt:
- Figur 1:
- PWM-Betrieb zur Ansteuerung von Leuchtdioden mit sowohl variabler
Pulsein- als auch Pulsauszeit.
- Figur 2:
- Prinzipieller Aufbau der Einrichtung.
Figur 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. Vorzugsweise wird IMAX = 1,5-3 x IG gewählt.
Figur 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 Figur 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.