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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei mehrere Halbleiterlichtquellen der Beleuchtungseinrichtung parallel zueinander geschaltet sind und eingeschaltete Halbleiterlichtquellen durch mindestens eine Stromquelle mit Energie versorgt werden. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge bekannt. So unterscheidet man zwischen Scheinwerfern und Leuchten. Scheinwerfer sind im Frontbereich eines Fahrzeugs angeordnet. Sie dienen neben der Verkehrssicherheit durch eine Sichtbarmachung des Fahrzeugs für andere Verkehrsteilnehmer insbesondere der Ausleuchtung der Fahrbahn vor dem Fahrzeug, insbesondere in Form von Abblendlicht, Fernlicht, Nebellicht oder einer beliebig anderen, bspw. adaptiven Lichtverteilung, um die Sicht für den Fahrer des Fahrzeugs zu verbessern.
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Leuchten dienen überwiegend der Verkehrssicherheit durch Sichtbarmachung des Fahrzeugs für andere Verkehrsteilnehmer. So werden Bugleuchten im Frontbereich des Fahrzeugs beispielsweise als Positionslicht, Blinklicht oder Tagfahrlicht und Heckleuchten im Heckbereich des Fahrzeugs beispielsweise als Bremslicht, Rückleuchte oder Blinklicht eingesetzt. Die Bugleuchten können dabei in einem Scheinwerfer integriert sein, sie können aber auch als separate Leuchten ausgebildet und im Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet sein. Eine Leuchte kann eine oder mehrere Leuchtenfunktionen erfüllen. In einer Heckleuchte sind üblicherweise mehrere Leuchtenfunktionen integriert.
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Scheinwerfer können als Lichtquelle bspw. mindestens eine Glühlampe, Halogenlampe oder Gasentladungslampe aufweisen; Leuchten können als Lichtquelle z.B. Glühlampen aufweisen. Scheinwerfer und Leuchten werden aber auch mehr und mehr mit Halbleiterlichtquellen, insbesondere Leuchtdioden (LEDs), als Lichtquelle betrieben. Zur Erzeugung einer Lichtverteilung einer gewünschten Breite und Lichtstärke können dabei auch mehrere Halbleiterlichtquellen matrixartig zu einem Array zusammengefasst und betrieben werden. Dabei ist es möglich, dass temporär nur ein Teil der in dem Array angeordneten Halbleiterlichtquellen gleichzeitig betrieben wird.
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Ein sog. Halbleiterchip umfasst eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen. Die Halbleiterlichtquellen bzw. die Halbleiterchips werden im Stand der Technik bevorzugt in mehreren parallel zueinander geschalteten Pfaden betrieben, wobei jeder Pfad mindestens eine Halbleiterlichtquelle umfasst. Zur elektrischen Energieversorgung werden die Halbleiterlichtquellen entweder durch eine Stromquelle pro Halbleiterchip (umfassend eine oder mehrere Leuchtdioden) bzw. pro Pfad oder durch eine für alle Pfade gemeinsame Spannungsquelle betrieben, wobei im letzteren Fall in den Pfaden Schaltelemente angeordnet sind und der Betriebsstrom je Pfad durch Öffnen bzw. Schließen der Schaltelemente geregelt wird, wobei sich der Betriebsstrom durch einen Mittelwertbildung ergibt. Dazu ist in der Regelungsschaltung eine hohe Abtastrate zur Ermittlung der aktuellen Stromwerte sowie einen Integrator zur Mittelwertbildung erforderlich.
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Aus der
DE 10 2008 021 534 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs bekannt, die mehrere parallel zueinander geschaltete Pfade aufweist, wobei in jedem Pfad eine Reihenschaltung mehrerer Leuchtdioden angeordnet ist. Die Beleuchtungseinrichtung wird durch eine gemeinsame Spannungsquelle für alle Pfade und durch eine Stromquelle je Pfad betrieben, wobei eine Regelanordnung zum Regeln der Betriebsspannung verwendet wird. Die Regelanordnung arbeitet mit einer hohen Abtastrate und umfasst einen Integrator zur Mittelwertbildung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass sie besonders effizient betrieben werden kann. Dabei sollten der Schaltungsaufwand und der erforderliche Bauraum möglichst gering sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, in dem sämtliche eingeschalteten Halbleiterlichtquellen durch eine gemeinsame Stromquelle mit Energie versorgt werden, wobei durch die Stromquelle entsprechend der Anzahl der eingeschalteten Halbleiterlichtquellen ein vorgebbarer Summenbetriebsstrom zur Verfügung gestellt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird einerseits der Schaltungsaufwand reduziert, indem mehrere Halbleiterlichtquellen, bspw. alle Halbleiterlichtquellen eines LED-Arrays, durch eine einzige Stromquelle mit Energie versorgt werden. Den Halbleiterlichtquellen individuell zugeordnete Stromquellen sind nicht mehr nötig. Andererseits kann der nötige Summenbetriebsstrom zum Betreiben aller eingeschalteten Halbleiterlichtquellen in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung ermittelt werden und anschließend die Stromquelle derart geschaltet werden, dass jede Halbleiterlichtquelle ordnungsgemäß mit einer passenden konstante Stromstärke betrieben werden kann. Dabei stellt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung einen Summenbetriebsstrom für alle Halbleiterlichtquellen bzw. für alle parallel zueinander geschalteten Pfade zur Verfügung. Der durch die Stromquelle erzeugte Summenbetriebsstrom ist also durch Signale der Steuer- und/oder Regeleinrichtung je nach der Anzahl der eingeschalteten Halbleiterlichtquellen vorgebbar. Der Summenbetriebsstrom kann somit gesteuert oder mit einer verringerten Anzahl an Bauteilen und einer deutlich größeren Abtastrate als bisher erforderlich geregelt werden. Insbesondere kann bei der Erfindung auf einen Integrator zur Mittelwertbildung verzichtet werden. Durch die geringere Ansteuerfrequenz steigt zudem die Energieeffizienz der verwendeten Komponenten.
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Der Summenbetriebsstrom teilt sich dabei automatisch auf die bevorzugt parallel zueinander geschalteten Halbleiterlichtquellen bzw. Pfade mit Halbleiterlichtquellen entsprechend auf. Die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterlichtquellen bzw. der Pfade, in denen die Halbleiterlichtquellen angeordnet sind, können auf unterschiedliche Weise eingestellt werden. Dadurch wird der sich in den Halbleiterlichtquellen bzw. den Pfaden ergebende individuelle Betriebsstrom automatisch eingestellt. Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, die bisher übliche aufwendige Regelung der individuellen Betriebsströme in den einzelnen Halbleiterlichtquellen bzw. Pfaden durch eine einzige, für sämtliche Halbleiterlichtquellen und Pfade gemeinsame Summenstromregelung zu ersetzen. Dabei ist nur noch eine gemeinsame Stromquelle für alle Pfade bzw. alle Halbleiterlichtquellen erforderlich, deren Betriebsstrom gesteuert und/oder geregelt wird, und auf einen Integrator kann verzichtet werden. Durch den dadurch reduzierten Schaltungsaufwand werden eine deutliche Kosten- und Bauraumreduzierung und eine verbesserte Effizienz erreicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sämtliche eingeschaltete Halbleiterlichtquellen mit einer identischen Betriebsstromstärke betrieben werden. Wenn die Halbleiterlichtquellen in mehreren parallel zueinander geschalteten Pfaden angeordnet sind, sind die individuellen Betriebsstromstärken in den einzelnen Pfaden gleich groß. Dazu kann die Beleuchtungseinrichtung bevorzugt derart ausgebildet sein, dass jeweils eine gleiche Anzahl von Halbleiterlichtquellen, vorzugsweise alle des gleichen Typs, in mehreren parallel zueinander geschalteten Pfaden der Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist. Halbleiterlichtquellen des gleichen Typs haben vorzugsweise die gleichen elektrischen Eigenschaften. Damit haben auch die Pfade die gleichen elektrischen Eigenschaften. Als elektrische Eigenschaft wird hier insbesondere der ohmsche Widerstand des Pfads bzw. der darin angeordneten Halbleiterlichtquellen betrachtet. Dadurch wird erreicht, dass sich der von der Stromquelle erzeugte Summenbetriebsstrom gleichmäßig auf alle Pfade aufteilt. Durch die identische Betriebsstromstärke für die Pfade bzw. die Halbleiterlichtquellen kann erreicht werden, dass alle eingeschalteten Halbleiterlichtquellen mit der gleichen Helligkeit strahlen, was zu einer besonders homogenen Lichtverteilung und Farbe des von der Beleuchtungseinrichtung erzeugten Lichts führt.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass mindestens einer der Halbleiterlichtquellen bzw. mindestens einem der zueinander parallel geschalteten Pfade ein Schalter zugeordnet ist, durch den der Stromfluss durch die Halbleiterlichtquelle ein- und ausgeschaltet werden kann. Vorzugsweise ist allen Halbleiterlichtquellen bzw. allen Pfaden ein eigener Schalter zugeordnet. Die Schalter sind dabei bevorzugt als elektrisch ansteuerbare Schalter, insbesondere als Transistoren oder Thyristoren ausgebildet. Die Schalter werden vorzugsweise mittels eines elektrischen Ansteuersignals einer elektrischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Beleuchtungseinrichtung angesteuert. In einem Pfad sind die Schalter bevorzugt in Reihe mit der in dem Pfad angeordneten mindestens einen Halbleiterlichtquelle angeordnet. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann dabei so viele Halbleiterlichtquellen bzw. Pfade der Beleuchtungseinrichtung einschalten, wie Halbleiterlichtquellen zur Realisierung einer gewünschten Lichtverteilung bzw. Lichtfunktion der Beleuchtungseinrichtung nötig bzw. gewünscht sind. Die Steuer- und Regeleinrichtung hat also Kenntnis über die Anzahl der aktivierten Pfade bzw. der eingeschalteten Halbleiterlichtquellen und kann auf besonders einfache Weise den Summenbetriebsstrom mittels Steuerung oder vereinfachter Regelung einstellen. Der Summenbetriebsstrom der Stromquelle wird dabei durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung derart ermittelt und eingestellt, dass sichergestellt wird, dass durch jede Halbleiterlichtquelle bzw. durch alle in einem Pfad angeordnete Halbleiterlichtquellen ein Betriebsstrom fließt, der für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Halbleiterlichtquelle(n) in der erforderlichen bzw. gewünschten Weise, d.h. zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung und der gewünschten Lichtfarbe etc., nötig ist.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Betriebsstromstärke zum Betreiben mindestens einer der Halbleiterlichtquellen bzw. der Halbleiterlichtquellen mindestens eines der Pfade mittels eines in Reihe zu der mindestens einen Halbleiterlichtquelle angeordneten ohmschen Widerstands eingestellt wird. Dabei können in der Beleuchtungseinrichtung auch unterschiedliche Typen von Halbleiterlichtquellen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften verwendet werden. Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Halbleiterlichtquellen können sich auch aufgrund von Fertigungstoleranzen ergeben. Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Halbleiterlichtquellen können durch die Wahl und das Anordnen eines geeigneten Widerstands, vorzugsweise eines ohmschen Widerstands, in Reihe zu den Halbleiterlichtquellen bzw. in einem Pfad der Halbleiterlichtquellen berücksichtigt und deren Auswirkungen kompensiert werden. Auch eine unterschiedliche Anzahl von Halbleiterlichtquellen in den einzelnen Pfaden kann durch die Anordnung geeigneter Widerstände berücksichtigt werden. Mindestens einer der ohmschen
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Widerstände kann zudem temperaturabhängig veränderbar sein, um bspw. einem veränderten Widerstand der Halbleiterlichtquelle(n) in einem Pfad Rechnung zu tragen, der sich während des Betriebs der Halbleiterlichtquelle und die damit verbundene Erwärmung erhöht. Zu Beginn des Betriebs kann der ohmsche Widerstand größer sein und durch Erwärmen kleiner werden, so dass die Summe aus ohmschem Widerstand und Widerstand der Halbleiterlichtquellen und damit auch die Stromstärke in dem Pfad bzw. durch die Halbleiterlichtquelle(n) des Pfads von Beginn an über die gesamte Betriebsdauer in etwa konstant bleibt. Vorzugsweise sind die ohmschen Widerstände in Reihe zu den Halbleiterlichtquellen bzw. in den Pfaden so gewählt, dass sich in den einzelnen Pfaden der Beleuchtungseinrichtung gleich große Betriebsströme einstellen.
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Denkbar ist allerdings auch, dass die Halbleiterlichtquellen so toleriert sind, dass sich die Summenbetriebsstromstärke innerhalb eines tolerierbaren Wertebereichs automatisch und im Wesentlichen gleichmäßig auf die einzelnen Pfade aufteilt.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Betriebsstromstärke zum Betreiben mindestens einer der Halbleiterlichtquellen eines Pfads mittels pfadweiser Pulsweitenmodulation eingestellt wird. Dazu ist in jedem der parallel zueinander geschalteten Pfade ein Schaltelement angeordnet. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein mittels eines Ansteuersignals der Steuer- oder Regeleinrichtung ansteuerbares Schaltelement, das vorzugsweise mit einer relativ hohen Frequenz schalten kann. Insbesondere ist das Schaltelement als ein Transistor oder als Thyristor oder als ein Netzwerk mit mehreren solcher Schaltelemente ausgebildet. Vorzugsweise wird in jeden Pfad die aktuelle Stromstärke ermittelt und in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung ausgewertet. Die Ermittlung der aktuellen Stromstärke in einem Pfad kann anhand der Anzahl und Anordnung der aktivierten bzw. deaktivierten Halbleiterlichtquellen, die der Steuer- oder Regeleinrichtung bekannt sind, auf einfache Weise ermittelt werden, ohne dass es einer ständigen Strommessung mit hoher Abtastrate bedarf. Anschließend wird das in dem Pfad angeordnete Schaltelement entsprechend angesteuert, so dass der Strom wechselweise ein- bzw. ausgeschaltet wird und sich über Mittelwertbildung der ein- bzw. ausgeschalteten Zeiträume der gewünschte individuelle Betriebsstrom in dem Pfad einstellt. Eine Pulsweitenmodulation des Summenbetriebsstroms der Stromquelle ist ebenfalls denkbar, wobei dann ein gemeinsames Schaltelement für alle Pfade vorgesehen ist, das mittels eines entsprechenden Ansteuersignals von der Steuer- oder Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der Anzahl und Anordnung der aktivierten bzw. deaktivierten Halbleiterlichtquellen angesteuert wird.
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Beim Einstellen des Tastgrades der Pulsweitenmodulation in den einzelnen Pfaden kann eine Lichtanforderung der Beleuchtungseinrichtung für die einzelnen Halbleiterlichtquellen berücksichtigt werden. Dabei wird z.B. ein Betriebsstrom in den Pfaden in Abhängigkeit von der Lichtanforderung durch einen Regelalgorithmus mittels der in den Pfaden angeordneten Schaltelemente pulsweitenmoduliert. Wenn auch der Summenbetriebsstrom über eine Pulsweitenmodulation geregelt wird, können sich die beiden Tastgrade (der Summenbetriebsstromregelung und der Individualbetriebsstromregelung der einzelnen Pfade) überlagern. Ferner ist es denkbar, dass einzelnen Pfade und die darin angeordneten Halbleiterlichtquellen in Abhängigkeit von der gewünschten Lichtfunktion gezielt ein- bzw. ausgeschaltet werden.
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Wichtige Aspekte der Erfindung sind also die folgenden:
- Eine gemeinsame Stromquelle für alle parallel geschalteten Pfade und die darin angeordneten aktivierten Halbleiterlichtquellen.
- Keine aufwendige Regelung des Summenbetriebsstroms mit hoher Abtastrate erforderlich; der Summenbetriebsstrom wird in Abhängigkeit von der Anzahl der aktivierten Halbleiterlichtquellen gesteuert oder mit geringerer Ansteuerfrequenz geregelt.
- Zusätzlich zur Einstellung des Summenbetriebsstroms Einstellen des individuellen Betriebsstroms pro Pfad für die darin angeordneten Halbleiterlichtquelle(n).
- Einstellen des individuellen Betriebsstroms mittels pfadweiser Pulsweitenmodulation.
- Als Alternative Einstellen des individuellen Betriebsstroms pro Pfad mittels pfadweiser Anpassung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere des ohmschen Widerstands, des Pfads durch Anordnen eines geeigneten Widerstands in dem Pfad.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den nachfolgend beschriebenen Figuren dargestellt. Es zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in einer Seitenansicht;
- Figur 2
- eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mehrerer Halbleiterlichtquellen der Beleuchtungseinrichtung aus Figur 1 in einer ersten Ausführungsform;
- Figur 3
- eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mehrerer Halbleiterlichtquellen der Beleuchtungseinrichtung aus Figur 1 in einer zweiten Ausführungsform; und
- Figur 4
- eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mehrerer Halbleiterlichtquellen der Beleuchtungseinrichtung aus Figur 1 in einer dritten Ausführungsform.
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Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung im Schnitt und in vereinfachter Darstellung. Die Beleuchtungseinrichtung ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Beleuchtungseinrichtung 10 kann als ein Scheinwerfer oder als eine Leuchte, vorzugsweise zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, ausgebildet sein. In dem Beispiel von Figur 1 ist die Beleuchtungseinrichtung 10 als ein Scheinwerfer ausgebildet.
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Die Beleuchtungseinrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 12 das vorzugsweise aus Kunststoff besteht. In einer Lichtaustrittsrichtung 14 weist das Gehäuse 12 eine Lichtaustrittsöffnung auf, die mit einer lichtdurchlässigen Abdeckscheibe 16 verschlossen ist. Die Abdeckscheibe 16 kann als eine klare Scheibe ohne optisch wirksame Elemente oder zumindest bereichsweise mit optisch wirksamen Elementen (nicht dargestellt) als Streuscheibe ausgebildet sein. Die Abdeckscheibe 16 besteht aus Kunststoff oder Glas.
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Im Inneren des Gehäuses 12 ist ein Lichtmodul 18 angeordnet. Das Lichtmodul 18 dient zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung, die eine bestimmte horizontale und vertikale Erstreckung und eine bestimmte Beleuchtungsstärkewerteverteilung in dem ausgeleuchteten Bereich aufweist. Bei dem dargestellten Beispiel eines Scheinwerfers 10 erzeugt dieser bspw. ein Abblendlicht, Fernlicht oder Nebellicht. Im Falle einer Leuchte könnte die Beleuchtungseinrichtung 10 im Frontbereich eines Fahrzeugs bspw. zur Erzeugung eines Positionslichts, Blinklichts oder Tagfahrlichts oder im Heckbereich eines Fahrzeugs bspw. zur Erzeugung eines Bremslichts, Blinklichts oder eines Rücklichts dienen.
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Das Lichtmodul 18 weist eine Leiterplatte 20 auf, die in dem dargestellten Beispiel mit drei Halbleiterlichtquellen 22 bestückt ist. Die Halbleiterlichtquellen 22 sind vorzugsweise als Leuchtdioden (LEDs) ausgebildet. Sie sind bevorzugt vom gleichen Typ, das heißt sie haben nahezu gleiche elektrische und optische Eigenschaften. Die elektrischen Eigenschaften betreffen bspw. den Betriebsstrom, die Betriebsspannung oder den ohmschen Widerstand und/oder dessen Temperaturabhängigkeit. Die optischen Eigenschaften betreffen bspw. die Beleuchtungsstärke (lux), die Lichtstärke (candela), den Lichtstrom (candela-sr, lumen) und/oder die Lichtfarbe (Farbtemperatur in Kelvin). Die gewählte Anzahl der Halbleiterlichtquellen 22 sowie deren Anordnung auf der Leiterplatte 20 sind beispielhaft und können nach Bedarf beliebig anders vorgesehen sein. Die Halbleiterlichtquellen 22 können dabei ein sog. Array in einer oder mehreren Zeilen und/oder Spalten, vorzugsweise ein sog. 1x3-Array (1 Spalte, 3 Zeilen bzw. 3 Spalten, 1 Zeile), bilden, wobei die Halbleiterlichtquellen 22 des 1x3-Arrays vorzugsweise einzeln geschaltet und angesteuert werden können. Jede andere Anzahl und Anordnung der LEDs 22 ist ebenfalls denkbar.
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Das Lichtmodul 18 weist außerdem ein Optikarray 24 mit mehreren Primäroptiken zum Bündeln der von den Halbleiterlichtquellen 22 ausgesandten Lichtstrahlen auf.
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Die Primäroptiken sind bspw. als Vorsatzoptiken 26 ausgebildet. Die Vorsatzoptiken 26 können miteinander verbunden sein, so dass die Primäroptik 24 eine Einheit bildet, oder sie können separat und getrennt voneinander ausgebildet sein, so dass die Primäroptik 24 mehrteilig ausgebildet ist. Die Vorsatzoptiken 26 sind vorzugsweise massiv und bestehen aus einem transparenten Material, insbesondere Kunststoff oder Glas. Vorzugsweise ist jeder Halbleiterlichtquelle 22 eine eigene Vorsatzoptik 26 zugeordnet. Ein Großteil des von einer der Halbleiterlichtquellen 22 ausgesandten Lichts wird über eine Lichteinkoppelfläche in die entsprechende Vorsatzoptik 26 eingekoppelt. Ein Teil des eingekoppelten Lichts gelangt unmittelbar zu der Lichtauskoppelfläche und wird über diese aus der Vorsatzoptik 26 ausgekoppelt. Ein anderer Teil des eingekoppelten Lichts gelangt auf seitliche Grenzflächen der Vorsatzoptik 26 und wird an diesen totalreflektiert, um anschließend auf die Lichtauskoppelfläche zu treffen und über diese ausgekoppelt zu werden. Durch die Totalreflexion an den Grenzflächen der Vorsatzoptiken 26 sowie durch Brechung an den Lichteintrittsflächen und/oder Lichtaustrittsflächen der Vorsatzoptiken 26 werden die von den Halbleiterlichtquellen 22 ausgesandten und in die Vorsatzoptiken 26 eingekoppelten Lichtstrahlen gebündelt. Das Optikarray 24 erzeugt entweder alleine oder im Zusammenwirken mit anderen optischen Elementen, bspw. einer Projektionslinse (nicht dargestellt), die gewünschte Lichtverteilung des Lichtmoduls 18. Zum Bündeln des von den LEDs 22 ausgesandten Lichts, könnten diesen statt der totalreflektierenden Vorsatzoptiken 26 auch einer oder mehrere Reflektoren zugeordnet sein oder ein andersartig ausgestaltetes Optikarray 24 zugeordnet sein.
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Auf einer den Halbleiterlichtquellen 22 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 20 ist ein Kühlkörper 28 zur Wärmeableitung angeordnet. Dieser ist vorzugsweise wesentlich massiver ausgebildet als die Leiterplatte 20. Der Kühlkörper 28 umfasst vorzugsweise Kühlrippen oder Kühlstifte 28a zur Oberflächenvergrößerung. Zusätzlich kann ein aktives Kühlelement, bspw. in Form eines Lüfters, vorgesehen sein, um die durch den Kühlkörper 28 erzielbare Kühlwirkung zu verbessern. Der Kühlkörper 28 leitet die beim Betrieb der LEDs 22 entstehende Abwärme von den LEDs 22 weg, um deren Überhitzung zu vermeiden.
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Das Lichtmodul 18 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 betrieben. Der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 ist eine Stromquelle 32 zugeordnet. Diese kann integraler Bestandteil der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 sein (vgl. Figur 1), sie kann aber auch eine separate Vorrichtung außerhalb der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 12 der Beleuchtungseinrichtung 10 sein. Die Stromquelle 32 zeichnet sich idealerweise dadurch aus, dass sie, unabhängig von einer angeschlossenen elektrischen Last immer versucht, die gleiche Stromstärke zur Verfügung zu stellen. Zwischen der Stromquelle 32 und der Leiterplatte 20 ist eine elektrische Versorgungsleitung 34 angeordnet, zwischen der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 und der Leiterplatte 20 ist zusätzlich eine Signalleitung 36 angeordnet, über die Ansteuersignale für das Lichtmodul 18 bzw. die LEDs 22 und andere Bauteile der LED-Schaltungsanordnung übertragen werden können. Die Leitungen 34 und 36 dienen zum Betreiben der Halbleiterlichtquellen 22 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Es ist aber auch denkbar, dass die Leitungen 34 und 36 als eine gemeinsame Leitung ausgebildet sind, über welche sowohl die Ansteuersignale als auch die Versorgungsenergie übertragen werden.
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Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben der Halbleiterlichtquellen 22 der Beleuchtungseinrichtung 10 aus Figur 1 in einer ersten Ausführungsform. Beispielhaft sind in Figur 2 drei Halbleiterlichtquellen 22 dargestellt. Die Halbleiterlichtquellen 22 sind jeweils einzeln in einem eigenen Pfad 38 parallel zueinander geschaltet und werden über die Versorgungsleitung 34 von der Stromquelle 32 elektrisch versorgt. Jeder Pfad 38 könnte auch mehr als eine Halbleiterlichtquelle 22, in Reihe zu der gezeigten LED 22 oder auch parallel dazu geschaltet, umfassen. Jeder Pfad 38 kann ein beliebig ausgestaltetes elektrisches Netzwerk mehreren parallel und/oder seriell geschalteter LEDs 22 umfassen.
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In den Pfaden 38 ist jeweils ein Schaltelement 40 in Reihe mit der mindestens einen Halbleiterlichtquelle 22 angeordnet. Die Schaltelemente 40 sind vorzugsweise als elektrisch ansteuerbare Schaltelemente, besonders bevorzugt Halbleiterschaltelemente, insbesondere Transistoren oder Thyristoren oder als Netzwerke solcher Schaltelemente ausgebildet. Die Schaltelemente 40 sind bevorzugt auf der Leiterplatte 20 angeordnet. Jedes Schaltelement 40 kann separat über eine eigene Signalleitung 36 von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 angesteuert und geschaltet werden, um eine vorgegebene Anzahl an Halbleiterlichtquellen 22 im Lichtmodul 18 ein- bzw. auszuschalten. Falls zur Realisierung einer vorgegebenen Lichtfunktion nur zwei der drei LEDs 22 benötigt werden, kann das Steuergerät 30 den Schalter 40 in einem der Pfade 38 derart ansteuern, dass der Schalter 40 öffnet, der Stromfluss durch den entsprechenden Pfad 38 unterbrochen und die darin angeordnete LED 22 deaktiviert ist.
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Die Anzahl der zu aktivierenden LEDs 22 kann sich bspw. aufgrund von Anforderungen an eine zu erzielende Lichtverteilung des Lichtmoduls 18 oder aufgrund des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung 10 in einem bestimmten Land, wobei in verschiedenen Ländern unterschiedliche gesetzliche Anforderungen an eine Lichtverteilung gelten.
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In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform weisen die Halbleiterlichtquellen 22 nahezu identische elektrische Eigenschaften auf, so dass sich der von der Stromquelle 32 zur Verfügung gestellte Summenbetriebsstrom zu gleichen Teilen auf die Pfade 38 aufteilt. Somit fließt in jedem der eingeschalteten Pfade 38 die gleiche Stromstärke. Auch die optischen Eigenschaften der Halbleiterlichtquellen 22 sind vorzugsweise nahezu gleich, so dass die Halbleiterlichtquellen 22 alle mit einer weitgehend gleich großen Lichtstärke und der gleichen Lichtfarbe leuchten. Aus diesem Grund ist in dieser ersten Ausführungsform eine Symmetrierung der Pfade 38, bspw. über Widerstände 42 (vgl. Figuren 3 und 4), nicht nötig.
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Damit die Beleuchtungseinrichtung 10 bzw. das Lichtmodul 18 unabhängig von der Anzahl der aktiven LEDs 22 bzw. Pfade 38 stets gleich hell und/oder mit der gleichen Farbe leuchtet, muss die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 den Summenbetriebsstrom entsprechend der Anzahl der aktiven LEDs 22 bzw. Pfade 38 einstellen. Der Summenbetriebsstrom wird dabei auf eine Stromstärke gesteuert bzw. geregelt, der für die eingeschalteten LEDs 22 benötigt wird. Ein Betätigen der Schalter 40 in den Pfaden 38 kann somit auch Auswirkungen auf den Summenbetriebsstrom haben. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 steuert die einzelnen Schalter 40 an und gibt gleichzeitig der Stromquelle 32 vor, welche Stromstärke als Summenbetriebsstrom zur Verfügung gestellt werden soll. Durch diese Vorgehensweise kann auch eine pfadweise Einstellung des jeweiligen Betriebsstroms mittels Pulsweitenmodulation erreicht werden, indem die Schalter 40 zur Realisierung einer Pulsweitenmodulation genutzt werden, das heißt mit einem bestimmten Tastgrad ein- und ausgeschaltet werden.
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Um also unabhängig von einer Anzahl der aktuell eingeschalteten Halbleiterlichtquellen 22 alle eingeschalteten Halbleiterlichtquellen 22 immer mit der gleichen Stromstärke betreiben zu können, muss der über die Betriebsleitung 34 fließende Summenbetriebsstrom je nach der Anzahl der aktuell eingeschalteten Halbleiterlichtquellen 22 einstellbar sein. In der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10 kann also der Summenbetriebsstrom je nach der Anzahl der zu betreibenden Halbleiterlichtquellen 22 gesteuert bzw. geregelt werden. Dazu kann die Stromquelle 32 durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 angesteuert werden, dass sie den jeweils benötigten Summenbetriebsstrom zur Verfügung stellt. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 verfügt aufgrund der Ansteuerung der Schaltelemente 40 über Informationen bezüglich der aktuell aktiven Halbleiterlichtquellen 22 und kann die erforderliche Größe des Summenbetriebsstroms entsprechend einstellen. Falls der Summenbetriebsstrom geregelt wird, kann eine solche Regelung aufgrund des Wissens über die Anzahl der aktiven LEDs 22 und den daraus resultierenden benötigten Summenbetriebsstrom wesentlich einfach realisiert werden. Insbesondere kann die Arbeitsfrequenz der Regelung deutlich verringert werden, da die Regelung auch mit einer deutlich größeren Abtastrate als bei bekannten Regelungen noch ausreichend schnell und zuverlässig funktioniert. Außerdem kann auf einen Integrator zur Mittelwertbildung verzichtet werden. So ist es bspw. denkbar, dass über das in der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorhandene Wissen über den benötigten Summenbetriebsstrom ein Sollwert für die Regelung neu vorgegeben werden kann, sobald eine LED 22 hinzugeschaltet oder abgeschaltet wird.
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Zur Steuerung bzw. Regelung des Summenbetriebsstroms kann bspw. in der Betriebsleitung 34 eine Pulsweitenmodulationseinrichtung (nicht dargestellt) angeordnet sein, welche den Summenbetriebsstrom mittels Pulsweitenmodulation variieren kann. Dabei wird der Tastgrad der Pulsweitenmodulation so eingestellt, dass sich über das zeitliche Mittel ein gewünschter Summenbetriebsstrom einstellt. Dieser entspricht vorzugsweise der Anzahl der aktiven Halbleiterlichtquellen 22.
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Figur 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben der Halbleiterlichtquellen 22 in einer zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform (Figur 2) ist in jedem Pfad 38 außer der mindestens einen Halbleiterlichtquelle 22 und dem Schaltelement 40 zusätzlich ein ohmscher Widerstand 42 angeordnet. Die Widerstände 42 dienen einer elektrischen Symmetrierung der Pfade 38, damit der ohmsche Widerstand eines Pfades 38, der sich aus der Aggregation der Einzelwiderstände der in dem Pfad 38 angeordneten Bauelemente ergibt, einen bestimmten Wert annimmt. Vorzugsweise wird versucht, dass der ohmsche Widerstand eines Pfads 38 dem ohmschen Widerstand der übrigen Pfade 38 entspricht. Dabei können z.B. beim Betreiben der Halbleiterlichtquellen 22 unterschiedliche Typen von Halbleiterlichtquellen 22 oder auch Fertigungstoleranzen der Halbleiterlichtquellen 22, die zu unterschiedlichen Widerständen der LEDs 22 führen können, berücksichtigt werden. Auch eine unterschiedliche Anzahl von Halbleiterlichtquellen 22 in den einzelnen Pfaden 38 kann auf diese Weise berücksichtigt werden. Die Werte der ohmschen Widerstände 42 sind dabei so gewählt, dass sich ein gewünschter individueller Betriebsstrom in den einzelnen Pfaden 38 einstellt. Vorzugsweise sind die Widerstandswerte der Widerstände 42 so gewählt, dass sich in allen Pfaden 38 der gleiche Betriebsstrom einstellt.
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Die elektrischen Widerstände 42 können auch einen temperaturabhängigen ohmschen Widerstandswert aufweisen und als NTC- oder PTC-Widerstände ausgebildet sein. Dadurch kann bspw. während des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung 10 ein Erhitzen der Halbleiterlichtquellen 22 und eine damit verbundene Veränderung des Widerstands der Halbleiterlichtquellen 22 kompensiert werden, sodass unabhängig von der aktuellen Betriebstemperatur stets die gewünschte individuelle Stromstärke durch den jeweiligen Pfad 38 fließt, dass der Strom also unabhängig von der Betriebstemperatur der LEDs 22 konstant gehalten wird.
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Figur 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben der Halbleiterlichtquellen 22 in einer dritten Ausführungsform. Dabei dient jedes der Schaltelemente 40 neben dem Ein- und Ausschalten des entsprechenden Pfads 38 und der darin angeordneten LEDs 22 auch als Schalteinrichtung für eine pfadweise Pulsweitenmodulation. Dabei kann in jedem der Pfade 38 eine individuelle Pulsweitenmodulation realisiert werden, um den Betriebsstrom je Pfad 38 individuell einstellen und den von der Stromquelle 32 zur Verfügung gestellten Summenbetriebsstrom in gewünschter Weise auf die einzelnen Pfade 38 aufteilen zu können. Dabei wird der Tastgrad der Pulsweitenmodulation in jedem Pfad 38 so eingestellt, dass sich über das zeitliche Mittel die gewünschte Stromstärke in dem Pfad 38 einstellt. Dabei kann die Pulsweitenmodulation gesteuert oder geregelt erfolgen. Bei einer Regelung des individuellen Betriebsstroms muss die Stromstärke in jedem Pfad 38 separat erfasst und einer pfad-individuellen Regelung zugeführt werden. Dazu ist in dieser Ausführungsform an jedem Pfad 38 eine Messleitung 44 vorgesehen, über die die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 den jeweiligen aktuellen Strom in dem jeweiligen Pfad 38 ermittelt und den ermittelten Strom dem Regelalgorithmus zuführt. Dabei kann die Abtastrate zum Erfassen des aktuellen Stroms deutlich größer gewählt werden (der Stromwert wird seltener erfasst) als im Stand der Technik. Dies ist möglich, da die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 über zusätzliches Wissen bezüglich die Anzahl der aktiven LEDs 22 und den daraus resultierenden benötigten Summenbetriebsstrom verfügt. Dabei können Helligkeitsanforderungen an die einzelnen Halbleiterlichtquellen 22 erfüllt werden, indem der Tastgrad der Pulsweitenmodulation in den einzelnen Pfaden 38 individuell eingestellt wird. Möglich ist dabei auch, dass der Tastgrad der Pulsweitenmodulation in den Pfaden 38 den Tastgrad der Pulsweitenmodulation zur Einstellung des Summenbetriebsstroms überlagert.
