EP3426007A1 - Vehicle lighting device with power control - Google Patents

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EP3426007A1
EP3426007A1 EP18182482.2A EP18182482A EP3426007A1 EP 3426007 A1 EP3426007 A1 EP 3426007A1 EP 18182482 A EP18182482 A EP 18182482A EP 3426007 A1 EP3426007 A1 EP 3426007A1
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EP
European Patent Office
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voltage
led
circuit
actual
lighting device
Prior art date
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Burkhard Herbach
Christian Vollmer
Frank Marowski
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Individual
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/20Responsive to malfunctions or to light source life; for protection
    • H05B47/24Circuit arrangements for protecting against overvoltage
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30Driver circuits
    • H05B45/32Pulse-control circuits
    • H05B45/325Pulse-width modulation [PWM]
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/50Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
    • H05B45/56Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits involving measures to prevent abnormal temperature of the LEDs

Definitions

  • the invention relates to a motor vehicle lighting device according to the preamble of claim 1.
  • the lighting devices are operated at an overvoltage of 25% with effective powers that can be three times the rated connection value of the LED.
  • the lighting devices are operated at an overvoltage of 25% with effective powers that can be three times the rated connection value of the LED.
  • the series resistors are exposed to stresses that lead to their destruction.
  • the effects of this significantly increased effective output consist first of all in an increased heat output which, depending on the installation situation, must be avoided from the point of view of the risk of fire.
  • the life of the affected LED is significantly reduced.
  • the practical life of the lighting device which is much shorter than the lifetime, can be significantly reduced. In this case, the period of use during which the illumination device emits a light which can be used by the user is referred to as a practical service life. The practical life depends therefore for example, from the state of charge of a battery with which the lighting device is operated.
  • the invention has for its object to improve a generic automotive lighting device to the extent that this allows operation with the desired performance even with an applied overvoltage.
  • the invention proposes to precede the LED with an electronic overvoltage protection circuit, briefly referred to as a circuit, for power regulation.
  • a circuit for power regulation.
  • the effective power of the lighting device is controlled by an undesirable entry of power into the LED lamp prevents and rather the power input is limited to the desired target value. At the same time, this reduces the energy requirement of the lighting device compared to operation without the proposed circuit.
  • the actual voltage applied to the illumination device is not changed, so that a particularly economical circuit can be used.
  • large cable lengths or small cable cross-sections that cause a sufficiently large drop in the supply voltage to the voltage applied to the LED light voltage can cause accidental, unscheduled protection of the LED light before the aforementioned overvoltage, while another LED light due to a different installation position and correspondingly shorter cable length, the overvoltage may be exposed to the same vehicle and operated at too high a capacity.
  • the proposed circuit according to the voltage applied there can be determined and taken into account for each LED light.
  • the circuit effects the power control by means of an intermittent modulation.
  • the power supply for the LED is thus alternately switched on and off at intervals, so that, accordingly, the LED is turned on and off alternately.
  • the human observer has a certain perception of brightness depending on the amplitude of the voltage and the duty cycle of each pulse, but the optical sensation of a constantly illuminated illumination device is maintained can occur when the on and off cycles with a physiologically high enough frequency. Since such an intermittent modulation for dimming the LED light is provided anyway, so to influence their brightness control, the present proposal is constructive with relatively simple means and economically feasible.
  • the proposed circuit provided initially the actually applied actual voltage is detected.
  • the duty cycle of the LED is reduced.
  • this voltage supply can theoretically be divided into seamlessly arranged, equally long intervals of a specific period of time, for example. B. 50 or 100 intervals per second. Each of these intervals can be mentally divided into two different switching states, namely a switch-on phase and a switch-off phase. In the switch-on phase, the actual voltage is unchanged, and in the switch-off phase, the voltage has the value zero. If the voltage is applied constantly, the switch-off phase has a duration of zero accordingly. If an overvoltage occurs, the switch-off phase is extended by the circuit according to the proposal to a value greater than zero, and the switch-on phase is accordingly shortened.
  • the circuit can advantageously take into account correspondingly many intervals per second, that is, correspondingly switch many on and off phases per second. From the field of the screening of films is known that even at frequencies below 30 Hz, the impression of an uninterrupted, fluid movement can be achieved.
  • the switching frequency also be correspondingly high.
  • more than 100 intervals per second may be provided, for example 200 to 700 intervals.
  • the proposed Circuit use, but also with a dimmer.
  • a frequency-based dimmer can be used which alternately generates switching on and off phases.
  • the duration of the switch-on is reduced when overvoltages occur, so that in this case, based on a target duty cycle in operation with the target voltage, the actual voltage actually occurring in comparison to a correspondingly shorter actual duty cycle leads.
  • the quadratic influence of the voltage for the power calculation is offset by the merely linear influence of the shortened switch-on phase.
  • the effects of an overvoltage on the one hand, the LEDs and on the other hand, the ballast resistors of the lighting device are also different, so that an exact calculation would require a comparatively complicated design of the circuit to ensure the exact identical power consumption of the lighting device under the actual conditions by means of the circuit as they would otherwise be given under target conditions.
  • the LEDs and the series resistors of the lighting devices may behave differently, so that an exact adaptation of the circuit would be required to ensure the mentioned identical power consumption under the actual conditions.
  • the circuit shortens the switch-on phase within an interval with an applied overvoltage by a specified factor as a function of the determined, actually applied actual voltage.
  • this factor F is 1, for example, the switch-on phase is shortened by the same amount by which the overvoltage exceeds the nominal voltage provided per se. With an overvoltage of 10%, consequently, the switch-on phase is shortened by 10% in comparison with a nominal switch-on duration of the LED which is provided per se, so that the product of voltage and switch-on duration yields the same value as the product of the non-reduced switch-on duration and the desired value -Tension.
  • another factor in the circuit can be taken into account.
  • a factor of 3 results in a 15% reduction of the power-up phase when a 5% overvoltage is applied, and a 60% overvoltage reduces the power-up phase by 60% to only 40% of its target duration.
  • the present proposal is explained in more detail below with reference to the purely schematic representation.
  • the intermittent brightness of the LED in the manner of a Voltage modulation allows.
  • the switch-on phase at setpoint voltage U S is a period of time which is identified as the set duration D S and from a switch-on time t 1 of FIG first interval until an end time t S lasts.
  • a circuit which may be referred to as an overvoltage protection circuit for power regulation, serves to detect the actual voltage U i and to modulate the switch-on phases in such a way that nevertheless the connected LED is to be operated at approximately the desired power, and In any case, the operation is avoided with an unhealthy high performance.
  • the actual voltage U i is not changed, but the LED is operated with this overvoltage.
  • the switch-on phase is reduced within an interval from the set value D S to an actual duration D i , so that the switch-on phase from the time t 1 at the beginning of the interval only to the actual end time t i instead of the actual intended end Time t S takes.
  • the proposed proposed circuit Compared to the operation of the LED on a constant current source can be ensured by the proposed proposed circuit in an economically advantageous manner that the LEDs are operated at an acceptable performance and reliably avoided the disadvantages that would be associated with undesirable operation with increased effective power can be.
  • the circuit provided according to the proposal may also be designed in such a way that another factor is applied, or that an additional correction factor is included in the calculation of the actual duration D i : for example, if the brightness of the LED is not linear with the applied voltage developed, the mentioned correction factor can ensure that the LED is operated with the desired brightness. In particular, when the brightness increases disproportionately, by means of such correction factors the actual duration D i be further shortened, as described with reference to the embodiment, so that the positive effects of the circuit come particularly to bear.
  • Standard LED strips available on the market are designed to operate at a constant voltage. Since the amount of light emitted by an LED depends exclusively on the current, it is necessary to keep this current constant. If a constant supply voltage is present, ensure a constant current through a series resistor. When operating with power supplies, e.g. in building installations, that's to be ensured. Due to the cable resistance caused by longer building cabling, the required terminal voltage is often even undershot and the maximum permissible LED power or brightness is not reached. But the situation looks different in the car. Here board voltages of 10-20% above the rated voltage of 12V are even the rule. What hardly anyone has taken into account so far is that this overvoltage in the case of LEDs with series resistor can drastically increase the performance of the system. Depending on the LED quality, this can lead to up to 200% of the nominal power at 20% overvoltage. Not even the brightness is doubled, but the series resistor contributes significantly to the warming.
  • An inventively designed automotive lighting device aims to avoid overheating of the LED lights with changing and increased on-board voltages.
  • the first desired side effect is the constant brightness. This is achieved because the human eye integrates the brightness of a light source via perception, similar to a television picture. People knows that a television picture shows frames in a row, yet they are perceived as flowing movements. In the present case, a technique is used as it is also used in the dimming of LEDs. Here, the functional relationship between on-board voltage and the resulting connected load has been determined, so that their influence can be compensated.
  • the controller can be used on 12V or 24V systems and can be operated up to over 30V input voltage.
  • a separate protection circuit is activated, which protects the control itself. However, only a limited time of a few minutes.
  • the system is self-resetting designed so that no user intervention on the controller is necessary. If the voltage drops below an adjustable threshold, the function reactivates automatically.
  • the voltage is not really constant, a defined operation by means of a constant current source is possible. This regulates occurring overvoltages within a certain range. Disadvantage: The current determines the power, so it must be known beforehand, so that a defined work area can be produced. A universal use is not possible because the power source must be matched to the LEDs.
  • the theoretically expected quadratic dependence is barely perceptible in empirical practice, since the observed range from 0% to approximately 30% is still approximately linear. Therefore, one could use a linear equation with sufficient accuracy.
  • the terms in the equation can be identified as follows.

Landscapes

  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

Bei einer Kfz-Beleuchtungseinrichtung, mit einer eine SollSpannung (US) liefernden Spannungsquelle, und einer an die Spannungsquelle anschließbaren LED, sowie mit einem der LED vorgeschalteten Vorwiderstand, schlägt die Erfindung vor, dass der LED eine kurz als Schaltung bezeichnete elektronische Überspannungs-Schutzschaltung zur Leistungsregelung mittels intermittierender Spannungsmodulation vorgeschaltet ist, welche die Spannungsversorgung intervallweise in der Art unterbrechend ausgestaltet ist, dass die LED abwechselnd ein- und ausgeschaltet ist, wobei jeweils eine Einschaltphase und eine daran Ausschaltphase ein Intervall definieren, wobei die Schaltung derart ausgestaltet ist, dass unter Beibehaltung einer der Schaltung anliegenden Ist-Spannung (Ui) die Ist-Einschaltdauer (Di) innerhalb eines Intervalls im Vergleich zu einer vorbestimmten Soll-Einschaltdauer (DS)verkürzt ist.

Figure imgaf001
In a motor vehicle lighting device, with a voltage source supplying a desired voltage (U S ), and an LED which can be connected to the voltage source, as well as with a series resistor upstream of the LED, the invention proposes that the LED be an electronic overvoltage protection circuit, referred to as a circuit for short upstream of the power control by means of intermittent voltage modulation, which is designed interrupting the power supply at intervals in such a way that the LED is alternately switched on and off, each a turn-on and a turn-off define an interval, the circuit is configured such that under Maintaining an actual voltage applied to the circuit (U i ), the actual duty cycle (D i ) is shortened within an interval in comparison to a predetermined desired duty cycle (D S ).
Figure imgaf001

Description

Die Erfindung betrifft eine Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a motor vehicle lighting device according to the preamble of claim 1.

Gattungsgemäße Kfz-Beleuchtungseinrichtungen sind aus der Praxis bekannt.Generic automotive lighting devices are known in practice.

Außerhalb des Kfz-Bereichs ist es bekannt, LEDs an einer Konstantstromquelle zu betreiben, oder an einer Konstantspannungsquelle von beispielsweise 12V. Netzteile stellen die Einhaltung der gewünschten Strom- oder Spannungswerte sicher Im Kfz-Bereich geht man anscheinend bei der Installation bekannter, gattungsgemäßer Beleuchtungseinrichtungen häufig davon aus, dass eine bestimmte Soll-Spannung von beispielsweise 12V mit einer ausreichend geringen Schwankungsbreite anliegt, um eine in der Beleuchtungseinrichtung vorgesehene LED im Konstantspannungsbetrieb betreiben zu können. Die Angabe von 12V, auf die auch in der weiteren vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, ist dabei rein beispielhaft und steht stellvertretend für die jeweils vorgesehene Bordspannung, die z. B. auch 24V, 48V oder auch andere Spannungswerte betragen kann. Aus Kostengründen werden die im Kfz-Bereich verwendeten LEDs mit entsprechend an die vorgesehene Bordspannung angepassten Vorwiderständen versehen, wie dies auch für den Betrieb an Konstantspannungs-Netzteilen üblich ist.Outside the automotive sector, it is known to operate LEDs on a constant current source, or at a constant voltage source of, for example, 12V. Power supplies ensure compliance with the desired current or voltage values In the automotive sector, when installing well-known, generic lighting fixtures, it is often assumed that a specific setpoint voltage of, for example, 12V is applied with a sufficiently small fluctuation range, one in the lighting fixture intended to operate LED provided in the constant voltage operation. The statement of 12V, to which reference is also made in the following description, is purely exemplary and represents the respectively provided on-board voltage, the z. B. also 24V, 48V or other voltage values may be. For cost reasons, the LEDs used in the automotive sector are provided with correspondingly adapted to the intended on-board voltage series resistors, as is customary for operation on constant voltage power supplies.

Mit diesem in der Praxis üblichen Betrieb von LED-basierten Beleuchtungseinrichtungen im Kfz-Bereich sind allerdings überraschende Nachteile verbunden: Tatsächlich kann man im Kfz-Bereich nicht davon ausgehen, dass die Soll-Spannung von 12V mit einer ausreichend kleinen Schwankungsbreite, wie bei einem Konstantspannungs-Netzteil, eingehalten wird. Bei genauerer Betrachtung stellt sich heraus, dass im Vergleich zu der Soll-Spannung von beispielsweise 12 V die Spannungsversorgung für die LEDs häufig oberhalb dieser Soll-Spannung liegt. Die Ladeschlussspannung beträgt nämlich beispielsweise 14,4 V, so dass in der Praxis die LEDs häufig mit einer Ist-Spannung von oberhalb 12 V betrieben werden, nämlich bis hin zu einer Ist-Spannung von 14,4 V, was einer Überspannung von 20 % entspricht.With this usual practice in practice of LED-based lighting devices in the automotive sector, however, there are surprising disadvantages: In fact, one can in the automotive sector do not assume that the nominal voltage of 12V is maintained with a sufficiently small fluctuation range, as with a constant voltage power supply. On closer inspection, it turns out that compared to the setpoint voltage of 12 V, for example, the voltage supply for the LEDs is often above this setpoint voltage. Namely, the charging end voltage is for example 14.4 V, so that in practice the LEDs are often operated with an actual voltage of above 12 V, namely up to an actual voltage of 14.4 V, which is an overvoltage of 20% equivalent.

Da mit der Spannung auch der Strom ansteigt, ergibt sich aufgrund des quadratischen Einflusses der Spannung für die Leistungsberechnung, dass bei einer Überspannung von 25 % die Beleuchtungseinrichtungen mit Effektivleistungen betrieben werden, die das Dreifache des Nennanschlusswertes der LED betragen können. Bei handelsüblichen LED-Streifen, die mit LEDs und Vorwiderständen bestückt sind und bei einer anliegenden Spannung von 12V mit einer Leistung von 100% betrieben werden, steigt, wenn die Ladeschlussspannung von 14,4V und somit eine Überspannung von 20% anliegt, die Leistung auf mehr als 200%. Insbesondere die Vorwiderstände werden dabei Belastungen ausgesetzt, die zu ihrer Zerstörung führen.Since the voltage also increases the current, due to the quadratic influence of the voltage for the power calculation, the lighting devices are operated at an overvoltage of 25% with effective powers that can be three times the rated connection value of the LED. For commercial LED strips, which are equipped with LEDs and Vorwiderständen and operated at an applied voltage of 12V with a power of 100%, increases when the end of charge voltage of 14.4V and thus a surge of 20%, the performance more than 200%. In particular, the series resistors are exposed to stresses that lead to their destruction.

Die Auswirkungen dieser deutlich erhöhten Effektivleistung bestehen erstens in einer erhöhten Wärmeabgabe, die je nach Einbausituation unter dem Gesichtspunkt der Brandgefahr zu vermeiden ist. Zweitens wird die Lebensdauer der betroffenen LED erheblich reduziert. Drittens kann zusätzlich zu der reduzierten Lebensdauer der LED die - im Vergleich zu der Lebensdauer sehr viel kürzere - praktische Nutzungsdauer der Beleuchtungseinrichtung erheblich verkürzt werden. Als praktische Nutzungsdauer wird dabei die Zeitdauer bezeichnet, während welcher die Beleuchtungseinrichtung ein für den Anwender verwertbares Licht abgibt. Die praktische Nutzungsdauer hängt daher beispielsweise vom Ladezustand eines Akkus ab, mit welchem die Beleuchtungseinrichtung betrieben wird. Während bei motorisierten Fahrzeugen, die mit einer Verbrennungskraftmaschine betrieben werden, gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor üblicherweise auch ein Generator betrieben wird, sind bei Elektrofahrzeugen die Antriebsmotoren der Fahrzeuge ebenso als Verbraucher anzusehen wie die Beleuchtungseinrichtung des Fahrzeugs. Und bei motorlosen Fahrzeugen, wie beispielsweise Anhängern, ist beispielsweise im Campingbereich eine autarke elektrische Energieversorgung in Form einer Spannungsquelle vorgesehen, beispielsweise eines Akkus. Der nächste Ladevorgang erfolgt beispielsweise erst dann wieder, wenn der Anhänger an ein Zugfahrzeug und dessen Bordnetz angeschlossen wird. Bis zu diesem nächsten Ladevorgang kann durch die erhöhte Leistungsaufnahme die praktische Nutzungsdauer der Beleuchtungseinrichtungen unerwünscht verkürzt werden.The effects of this significantly increased effective output consist first of all in an increased heat output which, depending on the installation situation, must be avoided from the point of view of the risk of fire. Second, the life of the affected LED is significantly reduced. Third, in addition to the reduced life of the LED, the practical life of the lighting device, which is much shorter than the lifetime, can be significantly reduced. In this case, the period of use during which the illumination device emits a light which can be used by the user is referred to as a practical service life. The practical life depends therefore for example, from the state of charge of a battery with which the lighting device is operated. While in motorized vehicles, which are operated with an internal combustion engine, together with the internal combustion engine usually also a generator is operated, in electric vehicles, the drive motors of the vehicles are just as much consumers as the lighting device of the vehicle. And in motorless vehicles, such as trailers, a self-sufficient electrical power supply in the form of a voltage source is provided, for example, a battery, for example, in the camping area. The next charging process, for example, only again when the trailer is connected to a towing vehicle and its electrical system. Up to this next charging process, the practical life of the lighting devices can be undesirably shortened by the increased power consumption.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Kfz-Beleuchtungseinrichtung dahingehend zu verbessern, dass diese einen Betrieb mit der gewünschten Leistung auch bei einer anliegenden Überspannung ermöglicht.The invention has for its object to improve a generic automotive lighting device to the extent that this allows operation with the desired performance even with an applied overvoltage.

Diese Aufgabe wird durch eine Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by a motor vehicle lighting device according to claim 1. Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, der LED eine kurz als Schaltung bezeichnete elektronische Überspannungs-Schutzschaltung zur Leistungsregelung vorzuschalten. Mittels der Schaltung wird die effektive Leistung der Beleuchtungseinrichtung geregelt, indem ein unerwünschter Leistungseintrag in die LED-Leuchte verhindert und vielmehr der Leistungseintrag auf den gewünschten Soll-Wert begrenzt wird. Gleichzeitig wird dadurch der Energiebedarf der Beleuchtungseinrichtung gegenüber einem Betrieb ohne die vorschlagsgemäße Schaltung verringert. Die Ist-Spannung, die der Beleuchtungseinrichtung anliegt, wird dabei nicht verändert, so dass eine besonders wirtschaftliche Schaltung verwendet werden kann.In other words, the invention proposes to precede the LED with an electronic overvoltage protection circuit, briefly referred to as a circuit, for power regulation. By means of the circuit, the effective power of the lighting device is controlled by an undesirable entry of power into the LED lamp prevents and rather the power input is limited to the desired target value. At the same time, this reduces the energy requirement of the lighting device compared to operation without the proposed circuit. The actual voltage applied to the illumination device, is not changed, so that a particularly economical circuit can be used.

Zufällige Einflüsse wie z. B. große Kabellängen oder geringe Kabelquerschnitte, die einen ausreichend großen Abfall der Versorgungsspannung bis zu der an der LED-Leuchte anliegenden Spannung bewirken, können einen zufälligen, nicht geplanten Schutz der LED-Leuchte vor der erwähnten Überspannung bewirken, während eine andere LED-Leuchte am selben Fahrzeug aufgrund einer anderen Einbauposition und dementsprechend geringerer Kabellänge möglicherweise der Überspannung ausgesetzt und mit zu hoher Leistung betrieben wird. Mittels der vorschlagsgemäß vorgesehenen Schaltung kann für jede LED-Leuchte die dort anliegende Spannung ermittelt und berücksichtigt werden.Random influences such. As large cable lengths or small cable cross-sections that cause a sufficiently large drop in the supply voltage to the voltage applied to the LED light voltage can cause accidental, unscheduled protection of the LED light before the aforementioned overvoltage, while another LED light due to a different installation position and correspondingly shorter cable length, the overvoltage may be exposed to the same vehicle and operated at too high a capacity. By means of the proposed circuit according to the voltage applied there can be determined and taken into account for each LED light.

Die Schaltung bewirkt die Leistungsregelung mittels einer intermittierenden Modulation. Die Spannungsversorgung für die LED wird also abwechselnd intervallweise ein- und ausgeschaltet, so dass dementsprechend auch die LED abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Ähnlich wie dies vom Phasenanschnitt bzw. - abschnitt zum Dimmen von klassischen Glühbirnen bekannt ist, ergibt sich für den menschlichen Beobachter abhängig von der Amplitude der Spannung und von der Einschaltdauer jedes Pulses eine bestimmte Helligkeitswahrnehmung, wobei jedoch das optische Empfinden einer konstant leuchtenden Beleuchtungseinrichtung beibehalten werden kann, wenn die Ein- und Ausschaltzyklen mit einer physiologisch ausreichend hohen Frequenz erfolgen. Da ohnehin eine solche intermittierende Modulation zum Dimmen der LED-Leuchte vorgesehen ist, also zur Beeinflussung von deren Helligkeitssteuerung, ist der vorliegende Vorschlag konstruktiv mit vergleichsweise einfachen Mitteln und wirtschaftlich zu verwirklichen.The circuit effects the power control by means of an intermittent modulation. The power supply for the LED is thus alternately switched on and off at intervals, so that, accordingly, the LED is turned on and off alternately. As is known from the phase angle or section for the dimming of conventional light bulbs, the human observer has a certain perception of brightness depending on the amplitude of the voltage and the duty cycle of each pulse, but the optical sensation of a constantly illuminated illumination device is maintained can occur when the on and off cycles with a physiologically high enough frequency. Since such an intermittent modulation for dimming the LED light is provided anyway, so to influence their brightness control, the present proposal is constructive with relatively simple means and economically feasible.

Mittels der vorschlagsgemäß vorgesehenen Schaltung wird zunächst die tatsächlich anliegende Ist-Spannung erfasst. Im Falle einer Überspannung im Vergleich zu der Soll-Spannung, beispielsweise der vorgesehenen Bordspannung von 12V, wird die Einschaltdauer der LED reduziert.By means of the proposed circuit provided initially the actually applied actual voltage is detected. In the event of an overvoltage compared to the target voltage, for example, the provided on-board voltage of 12V, the duty cycle of the LED is reduced.

Soll beispielsweise die LED mit konstant durchgängig anliegender Spannung betrieben werden, so kann diese Spannungsversorgung gedanklich in nahtlos aneinander gereihte, gleich lange Intervalle von bestimmter Zeitdauer aufgeteilt werden, z. B. 50 oder 100 Intervalle pro Sekunde. Jedes dieser Intervalle kann gedanklich in zwei unterschiedliche Schaltzustände aufgeteilt werden, nämlich in eine Einschaltphase und eine Ausschaltphase. In der Einschaltphase liegt die Ist-Spannung unverändert an, und in der Ausschaltphase hat die Spannung den Wert Null. Bei konstant anliegender Spannung hat die Ausschaltphase dementsprechend eine Dauer von Null. Tritt eine Überspannung auf, so wird vorschlagsgemäß mittels der Schaltung die Ausschaltphase auf einen Wert größer Null verlängert und die Einschaltphase dementsprechend verkürzt.If, for example, the LED is to be operated with a constantly continuous voltage, this voltage supply can theoretically be divided into seamlessly arranged, equally long intervals of a specific period of time, for example. B. 50 or 100 intervals per second. Each of these intervals can be mentally divided into two different switching states, namely a switch-on phase and a switch-off phase. In the switch-on phase, the actual voltage is unchanged, and in the switch-off phase, the voltage has the value zero. If the voltage is applied constantly, the switch-off phase has a duration of zero accordingly. If an overvoltage occurs, the switch-off phase is extended by the circuit according to the proposal to a value greater than zero, and the switch-on phase is accordingly shortened.

Für den menschlichen Betrachter bleibt bei einer ausreichend hohen Schaltfrequenz der optische Eindruck einer konstant leuchtenden LED auch bei deren intermittierendem Betrieb bestehen. Daher kann die Schaltung vorteilhaft dementsprechend viele Intervalle pro Sekunde berücksichtigen, also dementsprechend viele Ein- und Ausschaltphasen pro Sekunde schalten. Aus dem Bereich der Vorführung von Filmen ist bekannt, dass bereits bei Frequenzen unterhalb 30 Hz der Eindruck einer unterbrechungsfreien, flüssigen Bewegung erzielt werden kann. Vorteilhaft kann daher die Schaltfrequenz ebenfalls dementsprechend hoch liegen. Um die unangenehme Wahrnehmung eines Flimmerns zuverlässig auszuschließen, können insbesondere mehr als 100 Intervalle pro Sekunde vorgesehen sein, beispielsweise 200 bis 700 Intervalle.For a human observer remains at a sufficiently high switching frequency of the visual impression of a constantly lit LED also exist in their intermittent operation. Therefore, the circuit can advantageously take into account correspondingly many intervals per second, that is, correspondingly switch many on and off phases per second. From the field of the screening of films is known that even at frequencies below 30 Hz, the impression of an uninterrupted, fluid movement can be achieved. Advantageously, therefore, the switching frequency also be correspondingly high. In order to reliably exclude the unpleasant perception of a flicker, in particular more than 100 intervals per second may be provided, for example 200 to 700 intervals.

Nicht nur in dem erwähnten Dauerbetrieb der LED mit einer konstant anliegenden Versorgungsspannung kann die vorschlagsgemäße Schaltung Verwendung finden, sondern auch zusammen mit einem Dimmer. In an sich bekannter Weise kann dabei ein frequenzbasierter Dimmer verwendet werden, welcher abwechselnd Ein- und Ausschaltphasen erzeugt. Mittels der vorschlagsgemäßen Schaltung wird beim Auftreten von Überspannungen die Dauer der Einschaltphasen verringert, so dass auch in diesem Fall, bezogen auf eine Soll-Einschaltdauer im Betrieb mit der Soll-Spannung, die demgegenüber tatsächlich auftretende Ist-Spannung zu einer entsprechend kürzeren Ist-Einschaltdauer führt.Not only in the mentioned continuous operation of the LED with a constantly applied supply voltage, the proposed Circuit use, but also with a dimmer. In a manner known per se, a frequency-based dimmer can be used which alternately generates switching on and off phases. By means of the proposed circuit, the duration of the switch-on is reduced when overvoltages occur, so that in this case, based on a target duty cycle in operation with the target voltage, the actual voltage actually occurring in comparison to a correspondingly shorter actual duty cycle leads.

Dem quadratischen Einfluss der Spannung für die Leistungsberechnung steht der lediglich lineare Einfluss der verkürzten Einschaltphase gegenüber. Die Auswirkungen einer Überspannung auf einerseits die LEDs und auf andererseits die Vorschaltwiderstände der Beleuchtungseinrichtung sind jedoch ebenfalls unterschiedlich, so dass eine exakte Berechnung eine vergleichsweise aufwendige Ausgestaltung der Schaltung erfordern würde, um mittels der Schaltung die exakt identische Leistungsaufnahme der Beleuchtungseinrichtung unter den Ist-Bedingungen sicherzustellen, wie sie ansonsten unter Soll-Bedingungen gegeben wäre. Insbesondere können in Abhängigkeit von der Bauart, vom Hersteller, und gegebenenfalls von den Produktchargen die LEDs und die Vorwiderstände der Beleuchtungseinrichtungen ein unterschiedliches Verhalten aufweisen, so dass eine exakte Anpassung der Schaltung erforderlich wäre, um die erwähnte identische Leistungsaufnahme unter den Ist-Bedingungen sicherzustellen.The quadratic influence of the voltage for the power calculation is offset by the merely linear influence of the shortened switch-on phase. However, the effects of an overvoltage on the one hand, the LEDs and on the other hand, the ballast resistors of the lighting device are also different, so that an exact calculation would require a comparatively complicated design of the circuit to ensure the exact identical power consumption of the lighting device under the actual conditions by means of the circuit as they would otherwise be given under target conditions. In particular, depending on the type, the manufacturer, and possibly the batches of products, the LEDs and the series resistors of the lighting devices may behave differently, so that an exact adaptation of the circuit would be required to ensure the mentioned identical power consumption under the actual conditions.

Insbesondere wenn nicht die absoluten Werte von Überspannung und dem Zuviel an Leistung berücksichtigt werden, sondern wenn mit relativen bzw. prozentualen Werten gerechnet wird, ergibt sich für den Bereich, in welchem die Überspannungen in der Praxis bei Fahrzeugen auftreten, unabhängig von der tatsächlichen Soll-Bordspannung ein annähernd linearer Zusammenhang. Dementsprechend kann mit einer ausreichend guten Genauigkeit entsprechend der relativen Überspannung die Verkürzung der so genannten "duty cycles" bzw. Einschaltdauer in den Ein- und Ausschaltzyklen gesteuert werden. Empirisch konnte in ersten Versuchen ein relativ linearer Zusammenhang zwischen Überspannung und resultierendem Leistungsanstieg ermittelt werden. Unabhängig von Leistung, Spannung und Art der LED-Leuchte, in der Praxis häufig in Form eines LED-Streifens, war dabei faktisch ein linearer Zusammenhang zwischen der relativen Überspannung und dem auftretenden relativen Leistungsanstieg zu beobachten, wobei bei den LED-Leuchten die in der Praxis vielfach üblichen, einfachen Vorwiderstände verbaut waren, und keine aktive Regelung.In particular, if not the absolute values of overvoltage and the excess of power are taken into account, but if relative or percentage values are calculated, the range in which the overvoltages occur in practice for vehicles, irrespective of the actual setpoint value, results. Board voltage an approximately linear relationship. Accordingly, with a sufficiently good Accuracy according to the relative overvoltage the shortening of the so-called "duty cycles" or duty cycle in the on and off cycles are controlled. Empirically, a relatively linear relationship between overvoltage and resulting increase in power could be determined in initial experiments. Regardless of the power, voltage and type of LED lamp, in practice often in the form of an LED strip, it was in fact a linear relationship between the relative overvoltage and the relative increase in relative power to observe, with the LED lights in the Practice often common, simple Vorwiderstände were installed, and no active regulation.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass die Schaltung in Abhängigkeit von der ermittelten, tatsächlich anliegenden Ist-Spannung die Einschaltphase innerhalb eines Intervalls bei einer anliegenden Überspannung um einen festgelegten Faktor verkürzt. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen einfachen, wirtschaftlichen Aufbau der Schaltung. Auf diese Weise wird der Beleuchtungseinrichtung zwar nicht dieselbe Leistung zugeführt wie bei anliegender Soll-Spannung, es kann jedoch sichergestellt werden, dass die negativen Auswirkungen der Überspannung erheblich verringert oder sogar in einem praxisrelevanten Ausmaß vermieden werden.In an advantageous embodiment, it is therefore provided that the circuit shortens the switch-on phase within an interval with an applied overvoltage by a specified factor as a function of the determined, actually applied actual voltage. This embodiment enables a simple, economical construction of the circuit. In this way, although the illumination device is not supplied with the same power as with applied nominal voltage, it can be ensured that the negative effects of the overvoltage are considerably reduced or even avoided to a practically relevant extent.

Die Schaltung kann folglich in der Art ausgestaltet sein, dass sie entsprechend der folgenden Formeln die Überspannung und in Abhängigkeit davon die Ausschaltphase bestimmt: U i / U s 1 = Ü ,

Figure imgb0001
und D s D s * Ü * F = D i
Figure imgb0002
The circuit can thus be designed in such a way that it determines the overvoltage and depending on the turn-off phase according to the following formulas: U i / U s - 1 = Ü .
Figure imgb0001
and D s - D s * Ü * F = D i
Figure imgb0002

Darin bezeichnet

  • Ui die tatsächlich anliegende Ist-Spannung,
  • US die Soll-Spannung (z. B. des Fahrzeug-Bordnetzes),
  • Ü das Maß der Überspannung als dimensionsloser Relativwert, bezogen auf die Soll-Spannung,
  • DS die Soll-Dauer der Einschaltphase,
  • Di die Ist-Dauer der Einschaltphase, und
  • F den erwähnten Faktor
Denoted therein
  • U i is the actually applied actual voltage,
  • U S is the nominal voltage (eg of the vehicle electrical system),
  • Ü the measure of the overvoltage as dimensionless relative value, based on the nominal voltage,
  • D S is the target duration of the switch-on phase,
  • D i is the actual duration of the switch-on phase, and
  • F the mentioned factor

Wenn dieser Faktor F beispielsweise 1 ist, wird die Einschaltphase um dasselbe Maß verkürzt, um welches die Überspannung die an sich vorgesehene Soll-Spannung übersteigt. Bei einer Überspannung von 10 % wird folglich die Einschaltphase im Vergleich zu einer an sich vorgesehenen Soll-Einschaltdauer der LED um 10 % verkürzt, so dass das Produkt aus Spannung und Einschaltdauer den gleichen Wert ergibt wie das Produkt aus der nicht reduzierten Einschaltdauer und der Soll-Spannung. Um im Vergleich zu dem genannten Faktor 1 eine stärkere Reduzierung der Leistungsaufnahme zu erreichen und den quadratischen Einfluss der Spannung noch weiter zu kompensieren, kann ein anderer Faktor in der Schaltung berücksichtigt werden. Beispielsweise führt ein Faktor 3 zu einer Verkürzung der Einschaltphase um 15%, wenn eine Überspannung von 5% anliegt, und bei einer Überspannung von 20% zu einer Verkürzung der Einschaltphase um 60% verkürzt, auf lediglich 40% ihrer Soll-Dauer.
Der vorliegende Vorschlag wird anhand der rein schematischen Darstellung nachfolgend näher erläutert.
If this factor F is 1, for example, the switch-on phase is shortened by the same amount by which the overvoltage exceeds the nominal voltage provided per se. With an overvoltage of 10%, consequently, the switch-on phase is shortened by 10% in comparison with a nominal switch-on duration of the LED which is provided per se, so that the product of voltage and switch-on duration yields the same value as the product of the non-reduced switch-on duration and the desired value -Tension. In order to achieve a greater reduction in power consumption compared to the aforementioned factor 1 and to further compensate for the quadratic influence of the voltage, another factor in the circuit can be taken into account. For example, a factor of 3 results in a 15% reduction of the power-up phase when a 5% overvoltage is applied, and a 60% overvoltage reduces the power-up phase by 60% to only 40% of its target duration.
The present proposal is explained in more detail below with reference to the purely schematic representation.

Dabei ist in der Zeichnung ein Diagramm dargestellt, bei welchem eine elektrische Spannung U über der Zeit t aufgetragen ist, also die einer LED anlegbare Spannung U in vertikaler Richtung und der Zeitablauf t in horizontaler Richtung aufgetragen ist.In this case, a diagram is shown in the drawing, in which an electrical voltage U is plotted over the time t, that is, the voltage applied to a LED voltage U in the vertical direction and the time t is plotted in the horizontal direction.

Im Diagramm ist die theoretisch vorgesehene Soll-Spannung mit Us gekennzeichnet, die einen Wert von 12 V aufweist, jedoch in dem dargestellten Beispiel nicht anliegt. Aus diesem Grund ist der Verlauf der Soll-Spannung US gestrichelt eingezeichnet.In the diagram, the theoretically provided desired voltage is designated by Us, which has a value of 12 V, but is not present in the illustrated example. For this reason, the course of the desired voltage U S is shown in dashed lines.

Zudem ist kein konstanter, sondern ein intervallartiger Betrieb der LED vorgesehen, nämlich mittels eines Dimmers, der intermittierend eine Helligkeitsbeeinflussung der LED in Art einer Spannungsmodulation ermöglicht. Um die LED mit einer bestimmten Leistung - und einer daraus resultierenden, bestimmten wahrnehmbaren Helligkeit - zu betreiben, beträgt die Einschaltphase bei Soll-Spannung US eine Zeitspanne, die als Soll-Dauer DS gekennzeichnet ist und von einem Einschalt-Zeitpunkt t1 des ersten Intervalls bis zu einem End-Zeitpunkt tS dauert.In addition, no constant, but an interval-like operation of the LED is provided, namely by means of a dimmer, the intermittent brightness of the LED in the manner of a Voltage modulation allows. In order to operate the LED with a certain power - and a resulting, perceptible perceived brightness - the switch-on phase at setpoint voltage U S is a period of time which is identified as the set duration D S and from a switch-on time t 1 of FIG first interval until an end time t S lasts.

Nach Ablauf dieser Soll-Dauer DS ist eine Ausschaltphase vorgesehen. Diese dauert bis zu einem Zeitpunkt t2, zu welchem das erste Intervall endet und das zweite Intervall beginnt, indem die angeschlossene LED erneut eingeschaltet wird.After expiration of this desired duration D S a switch-off is provided. This lasts until a time t 2 , at which the first interval ends and the second interval begins by the connected LED is turned on again.

Tatsächlich jedoch liegt abweichend von den beschriebenen Soll-Werten keine Soll-Spannung US von 12 V an, sondern vielmehr eine Ist-Spannung Ui, die einen höheren Wert als 12 V aufweist, also eine Überspannung darstellt. Der Verlauf der Ist-Spannung Ui ist in durchgezogenen Linien dargestellt.In actuality, however, deviating from the desired values described, there is no desired voltage U S of 12 V, but rather an actual voltage U i which has a value greater than 12 V, that is to say an overvoltage. The course of the actual voltage U i is shown in solid lines.

Eine Schaltung, die als Überspannungs-Schutzschaltung zur Leistungsregelung bezeichnet werden kann, dient dazu, die Ist-Spannung Ui zu detektieren und die Einschaltphasen in der Weise zu modulieren, dass dennoch die angeschlossene LED mit annähernd der gewünschten Leistung zu betreiben ist, und dass jedenfalls der Betrieb mit einer unzuträglich hohen Leistung vermieden wird. Hierzu wird die Ist-Spannung Ui nicht verändert, sondern die LED wird mit dieser Überspannung betrieben. Allerdings wird die Einschaltphase innerhalb eines Intervalls vom Soll-Wert DS auf eine Ist-Dauer Di reduziert, so dass die Einschaltphase vom Zeitpunkt t1 zu Beginn des Intervalls lediglich bis zum tatsächlichen End-Zeitpunkt ti statt bis zum eigentlich vorgesehenen End-Zeitpunkt tS dauert.A circuit, which may be referred to as an overvoltage protection circuit for power regulation, serves to detect the actual voltage U i and to modulate the switch-on phases in such a way that nevertheless the connected LED is to be operated at approximately the desired power, and In any case, the operation is avoided with an unhealthy high performance. For this purpose, the actual voltage U i is not changed, but the LED is operated with this overvoltage. However, the switch-on phase is reduced within an interval from the set value D S to an actual duration D i , so that the switch-on phase from the time t 1 at the beginning of the interval only to the actual end time t i instead of the actual intended end Time t S takes.

In der grafischen Darstellung des Diagramms ergeben sich sowohl für das Rechteck mit den Soll-Werten, also in gestrichelten Linien, als auch für das Rechteck in durchgezogenen Linien, welches die Ist-Werte repräsentiert, gleiche Flächeninhalte. Diese verdeutlichen, dass die Schaltung die Einschaltphase um dasselbe Maß - also mit einem Faktor von 1 - verkürzt, um welches die Ist-Spannung Ui die Soll-Spannung US als Überspannung übersteigt.In the graphical representation of the diagram, the same area contents result for the rectangle with the nominal values, ie in dashed lines, as well as for the rectangle in solid lines, which represents the actual values. These make it clear that the circuit shortens the switch-on phase by the same amount-ie by a factor of 1-by which the actual voltage U i exceeds the setpoint voltage U S as overvoltage.

Im Vergleich zum Betrieb der LED an einer Konstantstromquelle kann mittels der vorschlagsgemäß vorgesehenen Schaltung auf wirtschaftlich vorteilhafte Weise sichergestellt werden, dass die LEDs mit einer akzeptablen Leistung betrieben werden und die Nachteile, die mit einem unerwünschten Betrieb mit einer erhöhten effektiven Leistung verbunden wären, zuverlässig vermieden werden können.Compared to the operation of the LED on a constant current source can be ensured by the proposed proposed circuit in an economically advantageous manner that the LEDs are operated at an acceptable performance and reliably avoided the disadvantages that would be associated with undesirable operation with increased effective power can be.

Im Gegensatz zu den erläuterten, in der Praxis auftretenden Überspannungen können mittels der vorgeschlagenen Schaltung Unterspannungen, die in der Praxis ebenfalls auftreten, nicht ausgeglichen werden. Sie bewirken jedoch für die Temperaturentwicklung und die Lebensdauer der LEDs sowie für die praktische Nutzungsdauer der Beleuchtungseinrichtung nicht die eingangs geschilderten Nachteile, so dass die Unterspannungen eher in Kauf genommen werden können als Überspannungen.In contrast to the described, occurring in practice overvoltages can not be compensated by the proposed circuit undervoltages that also occur in practice. However, they do not cause the disadvantages described above for the temperature development and the life of the LEDs and for the practical life of the lighting device, so that the undervoltages can be put up with rather than overvoltages.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Beispiels wurde erläutert, dass mittels der vorschlagsgemäßen Schaltung und dem darin berücksichtigten Faktor 1 das Produkt aus Spannung und Einschalt-Zeitdauer im praktischen Betrieb exakt gleich groß ist wie das Produkt aus der vorgesehenen Soll-Spannung und der vorgesehenen Soll-Einschalt-Zeitdauer. Abweichend davon kann die vorschlagsgemäß vorgesehene Schaltung auch in der Weise ausgestaltet sein, dass ein anderer Faktor angewendet wird, oder dass ein zusätzlicher Korrekturfaktor in die Berechnung der Ist-Dauer Di einfließt: beispielsweise wenn sich die Helligkeit der LED nicht linear mit der angelegten Spannung entwickelt, kann der erwähnte Korrekturfaktor sicherstellen, dass die LED mit der gewünschten Helligkeit betrieben wird. Insbesondere wenn die Helligkeit überproportional ansteigt, kann mittels derartiger Korrekturfaktoren die Ist-Dauer Di weiter verkürzt werden, als anhand des Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, so dass die positiven Auswirkungen der Schaltung besonders stark zum Tragen kommen.With reference to the example shown in the drawing, it was explained that by means of the proposed circuit and the factor 1 considered therein, the product of voltage and on-time in practical operation is exactly the same size as the product of the intended target voltage and the provided target Power-time. By way of derogation, the circuit provided according to the proposal may also be designed in such a way that another factor is applied, or that an additional correction factor is included in the calculation of the actual duration D i : for example, if the brightness of the LED is not linear with the applied voltage developed, the mentioned correction factor can ensure that the LED is operated with the desired brightness. In particular, when the brightness increases disproportionately, by means of such correction factors the actual duration D i be further shortened, as described with reference to the embodiment, so that the positive effects of the circuit come particularly to bear.

Am Markt erhältliche Standard-LED-Streifen sind dafür ausgelegt an einer konstanten Spannung betrieben zu werden. Weil die abgegebene Lichtmenge einer LED ausschließlich vom Strom abhängt, ist es notwendig, diesen Strom konstant zu halten. Liegt eine konstante Anschlussspannung vor, ist ein konstanter Strom durch einen Vorwiderstand sicherzustellen. Beim Betrieb mit Netzteilen, z.B. in Gebäudeinstallationen, ist das sicherzustellen. Hier wird aufgrund der Leitungswiderstände durch längere Gebäudeverkabelungen die gewünschte Anschlussspannanung sogar häufig unterschritten und die maximale zulässige LED-Leistung bzw. -Helligkeit nicht erreicht. Anders sieht aber der Betrieb im KFZ aus. Hier sind Bord-Spannungen von 10-20% oberhalb der Nennspannung von 12V sogar die Regel. Was dabei bislang kaum jemand berücksichtigt hat, ist, dass diese Überspannung bei LEDs mit Vorwiderstand die Leistung des Systems drastisch ansteigen lässt. Je nach LED-Qualität kann das bei 20% Überspannung zu bis zu 200% der Nennleistung führen. Dabei wird noch nicht einmal die Helligkeit verdoppelt, sondern der Vorwiderstand trägt wesentlich zur Erwärmung bei.Standard LED strips available on the market are designed to operate at a constant voltage. Since the amount of light emitted by an LED depends exclusively on the current, it is necessary to keep this current constant. If a constant supply voltage is present, ensure a constant current through a series resistor. When operating with power supplies, e.g. in building installations, that's to be ensured. Due to the cable resistance caused by longer building cabling, the required terminal voltage is often even undershot and the maximum permissible LED power or brightness is not reached. But the situation looks different in the car. Here board voltages of 10-20% above the rated voltage of 12V are even the rule. What hardly anyone has taken into account so far is that this overvoltage in the case of LEDs with series resistor can drastically increase the performance of the system. Depending on the LED quality, this can lead to up to 200% of the nominal power at 20% overvoltage. Not even the brightness is doubled, but the series resistor contributes significantly to the warming.

Der Lichtstrom nimmt linear mit dem Strom zu, damit steigt auch die Leistungsaufnahme der LED annähernd linear. Aber das Ohmsche Gesetzt beschreibt die Leistungsaufnahme am Widerstand mit P = R * I2. Damit geht der wesentliche Leistungsbedarf einfach in Wärme über, ohne zur Erhellung beizutragen. Natürlich ist damit die LED-Helligkeit nach wie vor von der Bordspannung abhängig. Bleibt noch zu erwähnen, dass die Standzeit bzw. die Lebensdauer (lifetime) einer LED im Wesentlichen von ihrer Betriebstemperatur abhängt. Diese kann sich ohne weiteres durch den falschen Temperaturarbeitsbereich von 40.000h auf einen Bruchteil z.B. im Mittel 4.000h reduzieren.The luminous flux increases linearly with the current, so that the power consumption of the LED increases almost linearly. But Ohm's law describes the power consumption at the resistor with P = R * I 2 . Thus, the essential power requirement is simply transferred to heat, without contributing to the clarification. Of course, the LED brightness is still dependent on the on-board voltage. Remains to mention that the life or lifetime of an LED essentially depends on its operating temperature. This can easily be reduced by the wrong temperature working range of 40,000h to a fraction eg on average 4,000h.

Man hat es also mit mehreren negativen Effekten zu tun:

  1. 1. Akkukapazität wird verschwendet,
  2. 2. die Helligkeit der LED schwankt mit der Bordspannung,
  3. 3. die LED-lifetime sinkt dramatisch.
Das bekannteste Verfahren um solche negativen Auswirkungen zu verhindern, ist die Nutzung von Konstantstromquellen. Diese werden exakt auf die verwendeten LEDs bzw. auf die Anwendung abgestimmt und sind entweder extern vorgeschaltet oder mit der LED gemeinsam aufgebaut. Letzteres führt zu erhöhten Kosten. Ersteres ist aufgrund der niedrigen Bordnennspannung von 12V nur für max. 3 (weiße) LED in Reihe geeignet. In jedem Fall muss aber die angeschlossene LED-Leistung bzw. der LED-Strom vorab bekannt sein, damit auch die richtige LED-Leistung eingestellt wird.So you're dealing with several negative effects:
  1. 1. Battery capacity is wasted
  2. 2. the brightness of the LED varies with the on-board voltage,
  3. 3. The LED lifetime drops dramatically.
The best known method to prevent such negative effects is the use of constant current sources. These are matched exactly to the LEDs used or to the application and are either connected upstream or built together with the LED. The latter leads to increased costs. The former is due to the low board voltage of 12V only for max. 3 (white) LED in series suitable. In any case, however, the connected LED power or the LED current must be known in advance, so that the correct LED power is set.

Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Kfz-Beleuchtungseinrichtung zielt darauf ab, die Überhitzung der LED-Leuchten bei wechselnden und erhöhten Bordspannungen zu vermeiden. Erster erwünschter Nebeneffekt ist die Konstanthaltung der Helligkeit. Dies wird erreicht, weil das menschliche Auge die Helligkeit einer Lichtquelle über die Wahrnehmung integriert, ähnlich wie es bei einem Fernsehbild der Fall ist. Jeder weiß, dass ein Fernsehbild Einzelbilder in Folge zeigt, trotzdem werden diese als fließende Bewegungen wahrgenommen. Im vorliegenden Fall wird eine Technik genutzt wie sie auch beim Dimmen von LEDs genutzt wird. Hier ist der funktionale Zusammenhang zwischen Bordspannung und der resultierenden Anschlussleistung ermittelt worden, so dass deren Einfluss kompensiert werden kann.An inventively designed automotive lighting device aims to avoid overheating of the LED lights with changing and increased on-board voltages. The first desired side effect is the constant brightness. This is achieved because the human eye integrates the brightness of a light source via perception, similar to a television picture. Everyone knows that a television picture shows frames in a row, yet they are perceived as flowing movements. In the present case, a technique is used as it is also used in the dimming of LEDs. Here, the functional relationship between on-board voltage and the resulting connected load has been determined, so that their influence can be compensated.

Die Begrenzung der Ausgangsleistung bei überhöhten Spannungen ist zwar auch mit einer Konstantstromquelle machbar, das setzt aber immer die Kenntnis bzw. Festlegung auf eine bestimmte Nennleistung voraus. Erfindungsgemäß hingegen wird hier keine derartige Festlegung benötigt und es wird über den gesamten Leistungsbereich automatisch auf die gerade angeschlossene LED-Leistung begrenzt. Sogar unterschiedliche parallel geschaltete Konstantspannungs-LED-Leuchten lassen sich in ihrer jeweiligen individuellen Leistung begrenzen. Zusätzlich ist automatisch ein Überspannungsschutz integriert, der die LEDs oberhalb von z.B. einstellbaren 16V Bord(über)spannung komplett abschaltet und damit sicher schützt.The limitation of the output power at excessive voltages is indeed feasible with a constant current source, but this always requires the knowledge or determination of a certain nominal power. According to the invention, however, no such determination is required here and it will automatically over the entire power range on the currently connected LED power limited. Even different parallel connected constant voltage LED lights can be limited in their respective individual performance. In addition, an overvoltage protection is integrated automatically, which completely switches off the LEDs above, for example, an adjustable 16V onboard (over) voltage, thus providing reliable protection.

Die Steuerung kann an 12V- oder 24V-Systemen eingesetzt werden und ist bis über 30V Eingangsspannung zu betreiben. Darüber wird eine eigene Schutzschaltung aktiv, welche die Steuerung selbst schützt. Allerdings nur eine begrenzte Zeit von wenigen Minuten. Das System ist selbstrückstellend ausgelegt, sodass kein Nutzereingriff an der Steuerung nötig ist. Sinkt die Spannung unterhalb einer einstellbaren Schwelle, reaktiviert sich die Funktion automatisch.The controller can be used on 12V or 24V systems and can be operated up to over 30V input voltage. In addition, a separate protection circuit is activated, which protects the control itself. However, only a limited time of a few minutes. The system is self-resetting designed so that no user intervention on the controller is necessary. If the voltage drops below an adjustable threshold, the function reactivates automatically.

Ein dauerhaft falscher Anschluss an eine zu hohe Spannung kann die Steuerung trotzdem beschädigen. Damit auch LEDs mit eigener Stromquelle an solcher einer Steuerung betrieben werden können, lässt sich diese Funktion selektiv für einzelne oder alle Kanäle abschalten, ohne die generelle Schutzschaltung (z.B. 16V) zu beeinträchtigen. Grundsätzlich lassen sich alle LEDs mit Vorwiderstand so in Ihrer Leistung begrenzen und vor Überhitzung schützen.A permanently wrong connection to a too high voltage can damage the control nevertheless. In order for even self-powered LEDs to operate on such a controller, this feature can be selectively turned off for one or all channels without affecting the general protection circuitry (e.g., 16V). In principle, all LEDs with series resistors can be so limited in their performance and protect against overheating.

1. Fall1st case

Um den Betriebszustand von LEDs innerhalb definierter Grenzen zu halten, ist entweder eine konstante Spannung oder ein konstanter Strom notwendig. Bei konstanter Spannung kann durch geeignete Wahl eines (konstanten) Vorwiderstandes der gewünschte Betriebszustand hergestellt werden.In order to keep the operating state of LEDs within defined limits, either a constant voltage or a constant current is necessary. At constant voltage, the desired operating state can be established by suitable selection of a (constant) series resistor.

Nachteil: Überschreitet die Ist-Spannung auch nur leicht um 10-20% die Nennspannung, erhöht sich die Leistungsaufnahme solch eines Konzeptes sofort bis zum Doppelten der Nennleistung und führt u.U. zum schnellen Ausfall durch Überhitzung, oder lässt die lifetime der LED durch die Überhitzung drastisch sinken.Disadvantage: If the actual voltage even slightly exceeds the rated voltage by 10-20%, the power consumption of such a concept immediately increases up to twice the rated power and may lead to rapid failure due to overheating. or drastically reduce the lifetime of the LED due to overheating.

2. Fall2nd case

Ist die Spannung nicht wirklich konstant, ist ein definierter Betrieb mittels einer Konstantstromquelle möglich. Diese regelt auftretende Überspannungen innerhalb eines gewissen Bereiches aus.
Nachteil: Der Strom bestimmt die Leistung, weshalb diese vorher bekannt sein muss, damit ein definierter Arbeitsbereich hergestellt werden kann. Ein universeller Einsatz ist nicht möglich, weil die Stromquelle auf die LEDs abgestimmt werden muss.
If the voltage is not really constant, a defined operation by means of a constant current source is possible. This regulates occurring overvoltages within a certain range.
Disadvantage: The current determines the power, so it must be known beforehand, so that a defined work area can be produced. A universal use is not possible because the power source must be matched to the LEDs.

Diese beiden Nachteile vermeidet das erfindungsgemäße Konzept, weil es unabhängig von der tatsächlichen angeschlossenen Leistung funktioniert. Allein die Messung des Unterschiedes zwischen Ist- und Soll-Spannung reicht aus, um eine lastunabhängige Leistungsbegrenzung und damit eine übermäßige Erwärmung der LEDs zu verhindern. Hierfür wurde ein funktionaler Zusammenhang zwischen Überspannung und der Leistungsaufnahme ermittelt. Dieser funktionale Zusammenhang wird einer erfindungsgemäßen LED-Steuerung genutzt, um die Leistungsaufnahme der LEDs mit Vorwiderstand trotz Überspannung annähernd konstant zu halten.
Dazu müssen nur wenige und leicht zu ermittelnde bzw. bekannte Größen als Parameter der Funktion berücksichtigt werden. Das sind:

  1. 1. Sollspannung, z.B. 12V oder 24V
  2. 2. Istspannung = Sollspannung + 10-20%
  3. 3. Durchbruch-Spannung der verwendeten LEDs, bei weiß ca. 2.8V bis 3.2V pro LED
  4. 4. Anzahl der LED pro Gruppe, 3 Stück bei 12V, 6 Stück bei 24V usw.
These two disadvantages avoid the inventive concept, because it works regardless of the actual connected power. Just the measurement of the difference between the actual and nominal voltage is sufficient to prevent a load-independent power limitation and thus excessive heating of the LEDs. For this purpose, a functional relationship between overvoltage and power consumption was determined. This functional relationship is used an LED control according to the invention to keep the power consumption of the LEDs with series resistance in spite of overvoltage approximately constant.
For this purpose, only a few and easily determinable or known quantities must be taken into account as parameters of the function. These are:
  1. 1. Target voltage, eg 12V or 24V
  2. 2. Actual tension = target tension + 10-20%
  3. 3. Breakthrough voltage of the LEDs used, with white approx. 2.8V to 3.2V per LED
  4. 4. Number of LEDs per group, 3 pieces at 12V, 6 pieces at 24V, etc.

Allein aus diesen Parametern lässt sich über folgende Formel ein Faktor ermitteln, der z.B. eine eingestellte PWM (Pulsweitenmodulation) überlagert und dadurch die Leistung und wahrgenommene Helligkeit auf konstantem Niveau hält. P rel = U LED U ist U nenn U LED + U ist + U LED U ist 2 U nenn 2 U LED + U ist + U ist 2 U nenn 2

Figure imgb0003

  • Uist = 14.4 V
  • Unenn = 12 V
  • ULED = 9.6 V
  • Urel = 1.2
  • Prel = 1.92
From these parameters alone, a factor can be determined using the following formula, which, for example, superimposes a set PWM (pulse width modulation) and thereby keeps the power and perceived brightness at a constant level. P rel = - U LED U is U call - U LED + U is + U LED U is 2 U call 2 - U LED + U is + U is 2 U call 2
Figure imgb0003
  • U is = 14.4V
  • U nenn = 12V
  • U LED = 9.6V
  • U rel = 1.2
  • P rel = 1.92

Urel und Prel sind dimensionslose Faktoren. ULED steht für die LED-Durchbruchspannung (Annahme: 3 x 3.2V = 9.6V). Urel = 1.2 steht für 20% Überspannung und Prel = 1.92 steht für 1.92-fache Leistungsaufnahme. Wird z.B. die PWM um diesen Faktor reduziert, reduziert sich auch die Leistungsaufnahme um diesen Faktor und bleibt damit konstant. Damit lässt sich allein aus den Spannungsverhältnissen berechnen, wie die Leistung bei einer bestimmten Überspannung steigt. Da weder der Strom, noch eine Anschlussleistung in die Formel eingeht, ist dieses Verfahren sehr universell und kann damit an jeder LED-Schaltung mit Vorwiderständen eingesetzt werden, auch bei unterschiedlichen Nennspannungen. Hier ist allein die LED-Spannung für LED-Gruppe (3, 6, ..) anzupassen.U rel and P rel are dimensionless factors. U LED stands for the LED breakdown voltage (assumption: 3 x 3.2V = 9.6V). U rel = 1.2 stands for 20% overvoltage and P rel = 1.92 stands for 1.92 times the power consumption. If, for example, the PWM is reduced by this factor, the power consumption is reduced by this factor and thus remains constant. It is thus possible to calculate from the voltage relationships alone how the power increases at a certain overvoltage. Since neither the current nor a connected load is included in the formula, this method is very universal and can therefore be used on any LED circuit with series resistors, even at different nominal voltages. Here alone is the LED voltage for LED group (3, 6, ..) adapt.

Die Formel für Prel könnte noch durch einen Term ergänzt werden, der berücksichtigt wie ULED mit zunehmendem Strom ebenfalls größer wird (hier als Konstant angenommen). Da dieser physikalische Einfluss auf die Leistung aber vernachlässigbar ist und die Gleichung dadurch zu einer Differentialgleichung würde, wurde hier darauf verzichtet.The formula for P rel could be supplemented by a term that takes into account how U LED also increases with increasing current (assumed to be constant here). However, since this physical influence on the power is negligible and the equation would thus become a differential equation, this has been omitted here.

Die theoretisch erwartete quadratische Abhängigkeit ist in der empirischen Praxis kaum wahrnehmbar, da der betrachtete Bereich von 0% bis ca. 30% sich noch annähernd linear verhält. Deshalb könnte man auch mit ausreichender Genauigkeit eine lineare Gleichung verwenden. Die Terme in der Gleichung lassen sich wie folgt identifizieren.
Der lineare Term steht für die LED, deren Leistung linear zunimmt, während die (Verlust-)Leistung am Vorwiderstand wegen Pvor = I2 X Rvor quadratisch zunimmt.
The theoretically expected quadratic dependence is barely perceptible in empirical practice, since the observed range from 0% to approximately 30% is still approximately linear. Therefore, one could use a linear equation with sufficient accuracy. The terms in the equation can be identified as follows.
The linear term is the LED, the power increases linearly, while the (loss) increases power at the series resistor due to P = I 2 before XR before square.

Bezugszeichen:Reference numerals:

UU
Spannung t ZeitTension t time
US U S
Soll-SpannungTarget voltage
DS D S
Soll-DauerTarget duration
t1 t 1
Zeitpunkt: Beginn des ersten IntervallsTime: Start of the first interval
tS t s
Zeitpunkt: Soll-Ende des ersten IntervallsTime: Target end of the first interval
t2 t 2
Zeitpunkt: Beginn des zweiten IntervallsTime: Start of the second interval
Ui U i
Ist-SpannungActual voltage
Di D i
Ist-DauerActual duration
Ti T i
tatsächlicher End-Zeitpunktactual end time

Claims (7)

Kfz-Beleuchtungseinrichtung,
mit einer eine Soll-Spannung (Us) liefernden Spannungsquelle,
und einer an die Spannungsquelle anschließbaren LED, sowie mit einem der LED vorgeschalteten Vorwiderstand, dadurch gekennzeichnet,
dass der LED eine kurz als Schaltung bezeichnete elektronische Überspannungs-Schutzschaltung zur Leistungsregelung mittels intermittierender Spannungsmodulation vorgeschaltet ist,
welche die Spannungsversorgung intervallweise in der Art unterbrechend ausgestaltet ist, dass die LED abwechselnd ein- und ausgeschaltet ist, wobei jeweils eine Einschaltphase und eine daran Ausschaltphase ein Intervall definieren,
wobei die Schaltung derart ausgestaltet ist, dass unter Beibehaltung einer der Schaltung anliegenden Ist-Spannung (Ui) die Ist-Einschaltdauer (Di) innerhalb eines Intervalls im Vergleich zu einer vorbestimmten Soll-Einschaltdauer (DS)verkürzt ist.
Automotive lighting device,
with a voltage source supplying a desired voltage (Us),
and an LED which can be connected to the voltage source, as well as a series resistor connected upstream of the LED, characterized
that the LED is connected in a short-called electronic circuit overvoltage protection circuit for power control by means of intermittent voltage modulation,
which the power supply is intermittently designed such that the LED is alternately switched on and off, wherein in each case one switch-on phase and one switch-off phase define an interval,
wherein the circuit is configured such that, while maintaining an actual voltage applied to the circuit (U i ), the actual duty cycle (D i ) within an interval compared to a predetermined desired duty cycle (D S ) is shortened.
Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beleuchtungseinrichtung einen der Schaltung vorgeschalteten, Ein- und Ausschaltphasen erzeugenden Dimmer aufweist.
Motor vehicle lighting device according to claim 1,
characterized,
in that the illumination device has a dimmer, which is connected upstream of the circuit and switches on and off phases.
Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltung derart ausgestaltet ist, dass sie 25 oder mehr Ein- und Ausschaltvorgänge pro Sekunde schaltet.
Automotive lighting device according to claim 1 or 2,
characterized,
that the circuit is designed such that it switches 25 or more switching on and off per second.
Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltung derart ausgestaltet ist, dass sie 100 oder mehr Ein- und Ausschaltvorgänge pro Sekunde schaltet.
Motor vehicle lighting device according to claim 3,
characterized,
that the circuit is designed such that it switches 100 or more switching on and off per second.
Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltung derart ausgestaltet ist, dass in die Berechnung der Ist-Einschaltdauer (Di) ein Faktor (F) einfließt, derart, dass bei einer nach der Formel Ui/US -1 = Ü ermittelten Überspannung Ü die Ist-Einschaltdauer (Di) nach der Berechnung
DS- (DS * Ü * F) = Di festgelegt ist.
Automotive lighting device according to one of the preceding claims,
characterized,
that the circuit is designed such that in the calculation of the actual duty (D i) flows in a factor (F), in such a way that, for a determined according to the formula U i / U S -1 = U overvoltage Ü the actual duty cycle (D i ) after the calculation
D S - (D S * T * F) = D i is fixed.
Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltung derart ausgestaltet ist, dass unter Beibehaltung einer der Schaltung anliegenden Ist-Spannung (Ui) das Produkt aus Ist-Einschaltdauer (Di) und Ist-Spannung (Ui) gleich groß ist wie das Produkt aus einer vorbestimmten Soll-Einschaltdauer (DS) und der Soll-Spannung (Us).
Automotive lighting device according to one of the preceding claims,
characterized,
that the circuit is designed in such a way that, while maintaining an actual voltage (U i ) applied to the circuit, the product of actual on-time (D i ) and actual voltage (U i ) is the same size as the product of a predetermined setpoint Duty cycle (D S ) and the setpoint voltage (Us).
Kfz-Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltung derart ausgestaltet ist, dass in die Berechnung der Ist-Einschaltdauer (Di) ein den Helligkeitsverlauf der LED im Bereich der Überspannungen berücksichtigender Korrekturfaktor einfließt.
Automotive lighting device according to one of the preceding claims,
characterized,
that the circuit is configured such that in the calculation of the actual duty cycle (D i ), a correction factor takes into account the brightness curve of the LED in the region of the overvoltages.
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