EP1349434B1 - Beleuchtungsschaltkreis, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

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EP1349434B1
EP1349434B1 EP03100572A EP03100572A EP1349434B1 EP 1349434 B1 EP1349434 B1 EP 1349434B1 EP 03100572 A EP03100572 A EP 03100572A EP 03100572 A EP03100572 A EP 03100572A EP 1349434 B1 EP1349434 B1 EP 1349434B1
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EP
European Patent Office
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led
row
lighting circuit
series
matrix
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EP03100572A
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EP1349434A3 (de
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Josef Studniorz
Bernd Schulte-Ewersum
Andreas Hinderlich
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Hella GmbH and Co KGaA
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Hella KGaA Huek and Co
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/40—Details of LED load circuits

Definitions

  • the invention relates to a lighting circuit, in particular for motor vehicles.
  • Such lighting circuits are increasingly constructed with light-emitting diodes as lamps.
  • a different number of LEDs is required. This raises the question of the circuit arrangement in which the LEDs are arranged.
  • a series connection of all LEDs would have the disadvantage that all LEDs would fail if one LED fails.
  • a pure parallel connection of all LEDs would, especially in motor vehicles, the disadvantage of high power loss, since the vehicle electrical system voltage, which is typically 12 volts, is substantially higher than the forward voltage of an LED, which is typically between 2V and 3V, and therefore a correspondingly high voltage drop on a series resistor to adapt to the LED flux voltage is necessary, which in turn causes a high power dissipation on the series resistor.
  • a compromise between these two extremes is a combined series / parallel connection in which the parallel-connected rows are networked together to form a light-emitting diode matrix.
  • Such a light-emitting diode matrix consists of n parallel-connected rows, each with m strings connected in series, wherein a light-emitting diode is arranged in each strand and runs between the strands of each row an electrically conductive cross-connection to the respective adjacent rows.
  • the cross connections ensure that if one LED fails, the remaining LEDs can continue to be supplied with power and can continue to illuminate.
  • Such a light-emitting diode matrix for motor vehicles is known, for example, from EP 0896 899A2.
  • the cross connections between the rows are realized by cables or printed conductors whose ohmic resistance is negligibly small.
  • the LEDs shine uniformly bright, so that a homogeneous lighting impression is produced.
  • the voltage class refers to the range of permissible Anlagennecken.
  • the LEDs of a voltage class also differ in terms of their diode characteristic within a tolerance range.
  • the currents through the different strands of the light-emitting diode matrix can be very different; in extreme cases, they can turn around differentiate the factor 2 and more. This in turn undesirably causes different brightnesses.
  • this can lead to the rated currents of certain LEDs in the light-emitting diode matrix being significantly exceeded, which has a negative effect on the life of the LEDs.
  • the object of the invention is to provide a lighting circuit for an LED matrix, which overcomes the disadvantages listed above.
  • an ohmic resistance is arranged in at least one of the conductive cross-connections.
  • the cross resistances allow potential separation between strings of adjacent parallel rows and at the same time the flow of a compensation current if the LED forward voltages are different. As a result, in the case of different forward voltages a more uniform current distribution through the different LED strands is achieved than in the prior art according to EP 0896 899A2.
  • FIG. 1 shows an LED matrix according to the prior art according to EP 0896 899A2. It consists of a combined series / parallel circuit with 2 rows, each having 3 strands. In each strand an LED is arranged. Between the strands of each row an electrically conductive connection is arranged, the ohmic resistance is virtually equal to zero.
  • the LED matrix is connected to the supply voltage via a series resistor (Rv).
  • Rv series resistor
  • a protective diode serves as reverse polarity protection.
  • FIG. 2 shows an LED matrix according to the prior art according to EP 0793 402 B1. There, a series resistor of a LED is connected in series in each strand.
  • FIG. 3 shows a lighting circuit with a 6-LED matrix, as in FIG. 1, but according to the invention, a transverse resistance is incorporated in the cross-connections between the strands.
  • the effect achieved according to the invention, which is achieved with the transverse resistances, will be explained with reference to FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 7 shows the characteristics for the LED with the number 4 and the LED with the number 3.
  • the LED with the No. 4 should have a forward voltage at the lower edge of the tolerance range of a voltage class while the forward voltage of the # 3 LED is at the top.
  • the forward voltages of the remaining LEDs (1, 2, 5, 6) are the same and lie in the middle of the tolerance band.
  • the rated current of the LEDs is 50 m amperes.
  • the LED matrix is connected via series resistors to the supply voltage (Vcc).
  • Vcc supply voltage
  • the number of LEDs connected in series in accordance with the forward voltage can be selected such that the voltage drop across all LEDs connected in series (functional voltage limit) approaches as close as possible to the lower limit of the supply voltage due to fluctuation.
  • the supply voltage can drop in the short term from normally 14 volts to 9 volts.
  • the series resistor is used to adjust the current flowing into the LED matrix. In order to evenly distribute the power loss, two or more series-connected series resistors (Rv) are preferably provided.
  • the series resistors are also arranged in the LED matrix in series with the LEDs
  • the LED matrix with the thermally low-loaded transverse resistances in the housing of a filament eg headlights or tail lamp
  • the series resistors are included as part of the LED matrix in the housing.
  • the equalizing currents can be adjusted independently of the load current through the LEDs.
  • the LED matrix is powered by a constant current source that provides a constant current independent of voltage fluctuations.
  • a low, optimally adapted to the functional voltage limit supply voltage can be selected because the voltage drop across the series resistors in the strands according to EP 0 793 402 B1 is omitted.
  • FIG. 4 shows the embodiment of a lighting circuit with a 9-LED matrix consisting of 3 rows connected in parallel, each having three strings.
  • a transverse resistance is arranged between the first and the second strand of the first row and between the first and the second strand of the second row.
  • a transverse resistance is arranged between the first and the second strand of the second row and between the first and the second strand of the third row.
  • Corresponding transverse resistances can also be found between the second and third strands of the respective adjacent rows.
  • the lighting circuit according to Figure 4 is analogous to the lighting circuit of Figure 3.
  • the transverse resistances are each with their one end with a common Sternkontentician connected and connected at their other end in each case with a row in the area between two strands.
  • this star connection is represented once more for the sake of clarity. The use of such a star connection allows greater freedom in the layout of the printed circuit board on which the LED matrix is arranged.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Beleuchtungsschaltkreis, insbesondere für Kraftfahrzeuge. Solche Beleuchtungsschaltkreise werden zunehmend mit Leuchtdioden als Leuchtmitteln aufgebaut. Je nach Anwendung ist dabei eine unterschiedliche Anzahl von LEDs erforderlich. Dabei stellt sich die Frage nach der Schaltungsanordnung, in der die LEDs angeordnet werden. Eine Reihenschaltung aller LEDs hätte den Nachteil, daß beim Ausfall einer LED sämtliche LEDs ausfallen würden. Eine reine Parallelschaltung aller LEDs hätte, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, den Nachteil einer hohen Verlustleistung, da die Bordnetzspannung, die typischerweise 12Volt beträgt, wesentlich höher ist als die Flußspannung einer LED, die typischerweise zwischen 2V und 3 V beträgt, und daher ein entsprechend hoher Spannungsabfall an einem Vorwiderstand zur Anpassung an die LED-Flußspannung notwendig ist, was wiederum eine hohe Verlustleistung an dem Vorwiderstand hervorruft. Ein Kompromiß zwischen diesen beiden Extremen ist eine kombinierte Reihen/Parallelschaltung, in der die parallelgeschalteten Reihen untereinander unter Ausbildung einer Leuchtdiodenmatrix vernetzt sind. Eine derartige Leuchtdiodenmatrix besteht aus n parallelgeschalteten Reihen mit jeweils m hintereinandergeschalteten Strängen, wobei in jedem Strang eine Leuchtdiode angeordnet ist und zwischen den Strängen jeweils einer Reihe eine elektrisch leitende Querverbindung zu den jeweils benachbarten Reihen verläuft. Durch die Querverbindungen wird sichergestellt, daß bei Ausfall einer LED die übrigen LEDs weiter mit Strom versorgt werden und weiterleuchten können. Eine solche Leuchtdiodenmatrix für Kraftfahrzeuge ist beispielsweise aus der EP 0896 899A2 bekannt. Die Querverbindungen zwischen den Reihen sind durch Kabel oder Leiterbahnen realisiert, deren ohmscher Widerstand vernachlässigbar klein ist.
  • In den meisten Anwendung besteht die Anforderung, daß die LEDs gleichmäßig hell leuchten, damit ein homogener Beleuchtungseindruck entsteht. Zu diesem Zweck werden in einer solchen Leuchtdiodenmatrix vorzugsweise nur LEDs verbaut, die in derselben Spannungsklasse liegen, wobei die Spannungsklasse sich auf den Wertebereich der zulässigen Fußspannungen bezieht. Allerdings unterscheiden sich auch die LEDs einer Spannungsklasse hinsichtlich ihrer Diodenkennlinie innerhalb eines Toleranzbereiches. Dies führt dazu, daß bei ungünstigen Konstellationen die Ströme durch die verschiedenen Stränge der Leuchtdiodenmatrix sehr unterschiedlich sein können; in Extremfällen können sie sich um den Faktor 2 und mehr unterscheiden. Dies bewirkt nun wiederum in unerwünschter Weise unterschiedliche Helligkeiten. Darüber hinaus kann dies dazu führen, daß die Nennströme bestimmter LEDs in der Leuchtdiodenmatrix deutlich überschritten werden, was sich negativ auf die Lebensdauer der LEDs auswirkt.
  • Um diesen Nachteilen zu begegnen wird in der EP 0 793 402 B1 vorgeschlagen, jeder LED eines Stranges einen Widerstand in Reihenschaltung zu zuordnen. Hierdurch wird eine gleichartige Linearisierung unterschiedlicher LED-Kennlinien erreicht und somit insgesamt eine gleichmäßige Stromaufteilung auf die verschiedenen Stränge/LEDs. Die große Anzahl von Widerständen, die benötigt wird, ist jedoch problematisch, da damit hohe Bauteile- und Bestückungskosten verbunden sind. Außerdem ist für die Vielzahl der Widerstände zusätzlicher Bauraum erforderlich. Ein weiteres Problem besteht darin, daß über den in Reihe geschalteten Widerständen jeweils eine Spannung abfällt, die eine thermische Verlustleistung erzeugt. Die thermische Verlustleistung reduziert zum einen den Wirkungsgrad der Lichterzeugung und zum anderen bewirken die durch die thermische Verlustleistung erzeugten hohen Temperaturen eine erhöhte Degradation der LEDs.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beleuchtungsschaltkreis für eine LED-Matrix zu schaffen, der die vorstehend aufgeführten Nachteile überwindet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in mindestens einer der leitenden Querverbindungen ein ohmscher Widerstand angeordnet ist. Auf Widerstände in den Strängen, welche jeweils in Reihe zu einer LED geschaltet sind (vgl. EP 0793 402 B1), kann dabei verzichtet werden. Die Querwiderstände erlauben eine Potentialtrennung zwischen Strängen benachbarter paralleler Reihen und gleichzeitig das Fließen eines Ausgleichsstromes, falls die LED-Flußspannungen unterschiedlich sind. Hierdurch wird im Falle unterschiedlicher Flußspannungen eine gleichmäßigere Stromverteilung durch die verschiedenen LED-Stränge erreicht als beim Stand der Technik gemäß EP 0896 899A2. Im Unterschied zur EP 0793 402 B1 fließt über die Querwiderstände nur dann ein thermische Verlustleistung erzeugender Ausgleichsstrom, wenn die LED-Flußspannungen tatsächlich unterschiedlich sind, während gemäß EP 0793 402 B1 über die Vorwiderstände in jedem LED-Strang immer, auch dann, wenn die Flußspannungen gleich sind, der LED-Strom fließt und dort Verlustleistung erzeugt. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Lösung die Zahl der Bauteile erheblich reduziert. Beispielweise werden bei einer LED-Matrix bestehend aus 2 Reihen mit jeweils 3 Strängen erfindungsgemäß maximal 2 Querwiderstände im Unterschied zu 6 Vorwiderständen gemäß EP 0 793 402 A1 benötigt.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:
    • Figur 1
    eine LED-Matrix gemäß dem Stand der Technik nach EP 0896 899A2,
    Figur 2
    eine LED-Matrix gemäß dem Stand der Technik nach EP 0793 402 B1,
    Figur 3
    eine erfindungsgemäße LED-Matrix gemäß einer ersten Ausführungsform,
    Figur 4
    eine erfindungsgemäße LED-Matrix gemäß einer zweiten Ausführungsform,
    Figur 5
    eine erfindungsgemäße LED-Matrix gemäß einer dritten Ausführungsform,
    Figur 6
    eine Widerstandssternschaltung, wie sie gemäß Ausführungsform von Figur 5 verwendet wird,
    Figur 7
    den Kennlinienverlauf zweier LEDs mit unterschiedlichen Flußspannungen,
    Figur 8
    den Einfluß des Querwiderstands auf eine gleichmäßige Stromverteilung.
  • In Figur 1 ist eine LED-Matrix nach dem Stand der Technik gemäß EP 0896 899A2 dargestellt. Sie besteht aus einer kombinierten Reihen-/Parallelschaltung mit 2 Reihen, die jeweils 3 Stränge aufweisen. In jedem Strang ist eine LED angeordnet. Zwischen den Strängen jeweils einer Reihe ist eine elektrisch leitende Verbindung angeordnet, deren ohmscher Widerstand praktisch gleich Null ist. Die LED-Matrix ist über einen Vorwiderstand (Rv) mit der Versorgungsspannung verbunden. Eine Schutzdiode dient als Verpolungsschutz.
  • In Figur 2 ist eine LED-Matrix nach dem Stand der Technik gemäß EP 0793 402 B1 dargestellt. Dort ist in jedem Strang ein Vorwiderstand einer LED in Reihe zugeschaltet.
  • Figur 3 zeigt einen Beleuchtungsschaltkreis mit einer 6er LED-Matrix, wie in Figur 1, jedoch ist erfindungsgemäß in den Querverbindungen zwischen den Strängen ein Querwiderstand eingebaut. Die erfindungsgemäß erzielte Wirkung, die mit den Querwiderständen erreicht wird, wird anhand der Figuren 7 und 8 erläutert. In Figur 7 sind die Kennlinien für die LED mit der Nr. 4 und die LED mit der Nr. 3 dargestellt. Dabei soll die LED mit der Nr. 4 eine Flußspannung aufweisen, die am unteren Rand des Toleranzbereiches einer Spannungsklasse liegt, während die Flußspannung der LED mit der Nr. 3 am oberen Rand liegt. Die Flußspannungen der übrigen LEDs (1,2, 5, 6) seien gleich und liegen in der Mitte des Toleranzbandes. Der Nennstrom der LEDs betrage 50 m Ampere. Ohne den erfindungsgemäßen Querwiderstand, d.h. bei einer kurzgeschlossenen Querverbindung (Rq = 0) gemäß Stand der Technik (vgl. Figur 1) sind die LED-Ströme durch die LEDs 3 und 4 sehr unterschiedlich. Bei Rq = 0 beträgt der Strom durch die LED mit der Nr. 3 nur 39 m Ampere, während de Strom durch die LED mit der Nr. 4 mit 61 m Ampere über dem Nennstrom liegt. Dieser Stromunterschied verursacht eine unterschiedliche Helligkeit der LEDs und bewirkt dauerhaft eine Degradation der LEDs. Mit zunehmendem Querwiderstand nimmt dann der Stromunterschied ab, wobei die Ströme sich dem Nennstrom annähern. Ab ca. 80 Ω haben die Ströme sich dann maximal dem Nennstrom angenähert. Falls die Flußspannungen der LEDs identisch sind, fließt über die Querwiderstände kein Strom, somit wird dann auch keine Verlustleistung erzeugt. Die LED-Matrix wird über Vorwiderstände mit der Versorgungsspannung (Vcc) verbunden. Dabei kann die Anzahl der in einer Reihe hintereinander geschalteten LEDs entsprechend der Flußspannung (ca. 2 bis 3V) so gewählt werden, daß der Spannungsabfall an allen in Reihe geschalteten LEDs (Funktionsspannungsgrenze) möglichst nah an die schwankungsbedingt untere Grenze der Versorgungsspannung herankommt. In einem Kraftfahrzeug kann die Versorgungsspannung durchaus kurzfristig von normalerweise 14 Volt auf 9 Volt sinken. Dabei dient der Vorwiderstand dazu, den Strom, der in die LED-Matrix fließt, einzustellen. Um die Verlustleistung gleichmäßig zu verteilen, sind vorzugsweise zwei oder mehr parallel geschaltete Vorwiderstände (Rv) vorgesehen.
  • Im Unterschied zum Beleuchtungsschaltkreis gemäß EP 0 793 402 B1, wo die Vorwiderstände auch in der LED-Matrix in Reihenschaltung zu den LEDs angeordnet sind, kann beim erfindungsgemäßen Beleuchtungsschaltkreis die LED-Matrix mit den thermisch gering belasteten Querwiderständen in dem Gehäuse eines Leuchtkörpers (z.B. Scheinwerfer oder Heckleuchte) untergebracht sein, während der oder die Vorwiderstände außerhalb des Gehäuse angeordnet sein können. Damit wird die störende Verlustwärme von dem Inneren des Gehäuse ferngehalten. Beim Stand der Technik gemäß EP 0 793 402 B1 sind die Vorwiderstände als Bestandteil der LED-Matrix in dem Gehäuse mitenthalten. Darüber hinaus können erfindungsgemäß im Unterschied zur EP 0 793 402 B1 die Ausgleichsströme unabhängig vom Laststrom durch die LEDs eingestellt werden.
  • In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird die LED-Matrix von einer Konstantstromquelle gespeist, die unabhängig von Spannungsschwankungen einen konstanten Strom bereitstellt. In diesem Fall kann eine niedrige, optimal an die Funktionsspannungsgrenze angepasste Versorgungsspannung gewählt werden, da der Spannungsabfall an den Vorwiderständen in den Strängen gemäß EP 0 793 402 B1 entfällt.
  • In Figur 4 ist die Ausführungsform eines Beleuchtungsschaltkreises mit einer 9er LED-Matrix bestehend aus 3 parallel geschalteten Reihen mit jeweils drei Strängen dargestellt. Dabei ist zwischen dem ersten und dem zweiten Strang der ersten Reihe und zwischen dem ersten und dem zweiten Strang der zweiten Reihe ein Querwiderstand angeordnet. Ebenso ist zwischen dem ersten und dem zweiten Strang der zweiten Reihe und zwischen dem ersten und dem zweiten Strang der dritten Reihe ein Querwiderstand angeordnet. Entsprechende Querwiderstände finden sich auch zwischen den zweiten und dritten Strängen der jeweils benachbarten Reihen. Insofern ist der Beleuchtungsschaltkreis gemäß Figur 4 analog zum Beleuchtungsstromkreis gemäß Figur 3. Im Unterschied zu Figur 3 kommt jedoch ergänzend hinzu, daß auch zwischen dem ersten und dem zweiten Strang der ersten Reihe und zwischen dem ersten und dem zweiten Strang der dritten Reihe sowie zwischen dem zweiten und dem dritten Strang der ersten Reihe und zwischen dem zweiten und dem dritten Strang der dritten Reihe ein Querwiderstand angeordnet ist. Damit sind nicht nur die benachbarten Reihen über Querwiderstände miteinander verbunden, sondern auch die äußeren Reihen. Durch die quasi ringförmige Vernetzung auch der äußeren Reihen durch Querwiderstände wird eine bessere Symmetrie der LED-Matrix erreicht, die sicherstellt, daß auch beim Ausfall einer LED in einer "äußeren" Reihe eine möglichst gleichmäßige Stromverteilung erfolgt. Durch die ringförmige Vernetzung macht es keinen Unterschied, ob in einer inneren oder einer äußeren Reihe eine LED ausfällt oder eine unterschiedliche Kennlinie aufweist. Eine Unterscheidung von inneren Reihen und äußeren Reihen ist somit eigentlich gar nicht mehr vorhanden.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 sind die Querwiderstände jeweils in einer Sternschaltung aus m (= Reihenzahl der LED-Matrix) Querwiderständen angeordnet. Dabei sind die Querwiderstände mit ihrem einen Ende jeweils mit einem gemeinsamen Sternkontenpunkt verbunden und mit ihrem jeweils anderen Ende jeweils mit einer Reihe im Bereich zwischen zwei Strängen verbunden. In Figur 6 ist diese Sternschaltung für sich allein zur Verdeutlichung noch einmal dargestellt. Die Verwendung einer solchen Sternschaltung ermöglicht beim Layout der Leiterplatte, auf der die LED-Matrix angeordnet wird, größere Gestaltungsfreiheit.

Claims (5)

  1. Beleuchtungsschaltkreis, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Leuchtdiodenmatrix in kombinierter Reihen-/Parallelschaltung, die durch einen Versorgungsstromkreis mit einer Gleichspannung und/oder einem Konstantstrom versorgt wird, wobei die Leuchtdiodenmatrix aus n parallelgeschalteten Reihen mit jeweils m hintereinandergeschalteten Strängen besteht, wobei in jedem Strang eine Leuchtdiode angeordnet ist, wobei zwischen den Strängen jeweils einer Reihe eine elektrisch leitende Querverbindung zu den jeweils benachbarten Reihen verläuft,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in mindestens einer der genannten Querverbindungen mindestens ein Querwiderstand angeordnet ist.
  2. Beleuchtungsschaltkreis nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Fall von drei oder mehr parallel geschalteten Reihen zwischen mindestens einem ersten Strang und einem zweiten Strang der ersten Reihe und zwischen dem zugehörigen ersten und zweiten Strang der letzten Reihe eine Querverbindung mit mindestens einem Widerstand angeordnet ist.
  3. Beleuchtungsschaltkreis nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mindestens eine Sternschaltung aus m Querwiderständen vorgesehen ist, wobei die Querwiderstände mit ihrem einen Ende jeweils mit einem gemeinsamen Sternkontenpunkt verbunden sind und mit ihrem jeweils anderen Ende jeweils mit einer Reihe im Bereich zwischen zwei Strängen verbunden sind.
  4. Beleuchtungsschaltkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in Reihe zur Leuchtdiodenmatrix mindestens ein Vorwiderstand geschaltet ist.
  5. Beleuchtungsschaltkreis nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Leuchtdiodenmatrix mit den Querwiderständen in dem Gehäuse eines Leuchtkörpers untergebracht ist, während der mindestens eine Vorwiderstand außerhalb des Gehäuses untergebracht ist.
EP03100572A 2002-03-30 2003-03-07 Beleuchtungsschaltkreis, insbesondere für Kraftfahrzeuge Expired - Lifetime EP1349434B1 (de)

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EP1349434A3 EP1349434A3 (de) 2005-08-17
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