EP3935921A1 - Steuer- und/oder regelungsmittel, schaltungsanordnung und verfahren zur ansteuerung von leuchtdioden in einem leuchtdiodenfeld - Google Patents

Steuer- und/oder regelungsmittel, schaltungsanordnung und verfahren zur ansteuerung von leuchtdioden in einem leuchtdiodenfeld

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EP3935921A1
EP3935921A1 EP20705962.7A EP20705962A EP3935921A1 EP 3935921 A1 EP3935921 A1 EP 3935921A1 EP 20705962 A EP20705962 A EP 20705962A EP 3935921 A1 EP3935921 A1 EP 3935921A1
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EP
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control
light
switch
regulating means
pulse
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EP20705962.7A
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Dieter Nietfeld
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Hella GmbH and Co KGaA
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Publication date
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Publication of EP3935921A1 publication Critical patent/EP3935921A1/de
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Publication of EP3935921B1 publication Critical patent/EP3935921B1/de
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    • 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]
    • H05B45/40Details of LED load circuits
    • H05B45/44Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix
    • H05B45/46Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix having LEDs disposed in parallel lines
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B45/00Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/10Controlling the intensity of the light
    • H05B45/14Controlling the intensity of the light using electrical feedback from LEDs or from LED modules
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    • H05B45/30Driver circuits
    • H05B45/32Pulse-control circuits
    • H05B45/325Pulse-width modulation [PWM]

Definitions

  • the invention relates to a control and / or regulating means for controlling and / or regulating a light-emitting diode field, with outputs at which control and / or regulating signals for controlling and / or regulating controllable switching elements can be tapped, with switch-on times and / or switch-off times of Pulses by which control signals and / or regulating signals can be defined and one and / or more controllable switching elements can be activated during the determined pulses for closing or opening.
  • a circuit arrangement and a method for operating the circuit arrangement are examples of a controllable switching elements.
  • the procedure is such that the light-emitting diodes are switched on at the beginning of a clock period of the PWM cycle and switched off after the switch-on period selected to achieve the desired brightness. Switching on takes place simultaneously for all LEDs, switching off can take place for each LED at a different switch-off time, depending on the pulse width of the pulse.
  • Such a light emitting diode field is, for example, in newly developed LED headlights with tens of thousands of light emitting diodes within a light diode field.
  • the invention was based on the problem of improving a control and / or regulating means of the type mentioned in such a way that a desired light distribution is achieved and at the same time a reduced dynamic in the total current and peak current is achieved.
  • the switch-on times and the switch-off times of the LEDs are selected so that not all LEDs are switched on at the same time at the beginning of the clock period.
  • a brightness of each light emitting diode rri j of one of the k groups can be controlled by setting a pulse width of the pulse from 0 ... 100% of a clock period and / or setting an amplitude of the pulse.
  • the switch-on time and / or switch-off time of the pulse can be determined for each light-emitting diode rrt j of a group as a function of the pulse width and / or the amplitude of the pulse.
  • the determined switch-on times and / o the switch-off times of the pulses lie within a predetermined clock period.
  • pulse width 100%
  • the switch-on time and the switch-off time for each of these pulses can be set to the beginning or the end of a clock period
  • the switch-on time and / or switch-off time of the pulse for each light-emitting diode in each Group can be defined or determined in such a way that the total pulse is in the middle within a clock period.
  • the sequential arrangement of the impulses makes it possible to generate a more even demand for electricity.
  • the sum pulse is also placed in the middle of a clock period.
  • a maximum of the current requirement which cannot always be avoided, is also shifted to the middle of a clock period.
  • the resulting waveform of the current means that the high peak currents at the beginning of a clock period, as well as steep current increases in a short time, which can lead to EMC problems, can be avoided. It is possible that the number of groups is 2 ⁇ k ⁇ n and the start of a clock period for each group is offset by a time span
  • At k is controllable.
  • the time period D ⁇ according to the formula At be determinable.
  • the start of the clock period is set for all groups offset by ⁇ clock periods. This means that the power consumption of the entire light-emitting diode field is more uniform. As a result, it may be possible that lower requirements can be placed on the supply of the light-emitting diode field.
  • the invention also relates to a circuit arrangement for controlling and / or regulating a light-emitting diode field.
  • the circuit arrangement according to the invention has a control and / or regulating means according to claims 1 to 7, a power source and a light-emitting diode field, the light-emitting diode field comprising at least two series circuits, each comprising at least one light-emitting diode and a controllable switching element assigned to the light-emitting diode, with a Control connection of each controllable switching element is connected to an output of the control and / or regulating means.
  • the current source can be regulated by the control and / or regulating means, so that the current corresponds to the current requirement of the light-emitting diodes, whose associated controllable switching elements are closed.
  • the light-emitting diode field is divided into 2 ⁇ k ⁇ n groups.
  • the division into at least 2 groups makes it possible to offset the beginning of a clock period for each group by a period of time D ⁇ and to use the advantages already described.
  • the method for operating a circuit arrangement according to the invention has at least the following steps:
  • the switch-on time and the switch-off time for each of these pulses is set to the beginning or the end of a clock period
  • control and / or regulating means checks which pulses have a pulse width ⁇ 100%
  • control and / or regulating means determines the switch-on time and / or switch-off time of the pulse for each light-emitting diode in each group in such a way that the sum pulse lies centrally within a clock period
  • the control and / or regulating means controls the controllable switching elements for the determined switch-on time and / or switch-off time of the pulses for closing or opening.
  • the method for operating a circuit arrangement according to the invention which is particularly suitable for performing before performing the method described above, has at least the following steps:
  • control or regulating means determines the pulse widths for each light emitting diode in a group or the pulse widths are transferred to the control and / or regulating means
  • control and / or regulating means determines the largest pulse width
  • the brightness distribution which is usually determined in advance, remains the same with this approach.
  • the total current required by the light-emitting diode field can become more uniform over a clock period. It is also possible to reduce the maximum current.
  • Fig. 2 flowchart to illustrate the determination of the switch-on times and the switch-off times
  • 5a, b a comparison of typical power distribution of a light emitting diode array with three groups without shifting the beginning of a clock period (a) and with shifting the beginning of a clock period (b)
  • the circuit arrangement 6 according to the invention shown in FIG. 1 comprises a light-emitting diode array 7 made up of two series circuits 1, 2.
  • Each series circuit 1, 2 includes a light-emitting diode 3, a resistor 4 and a controllable switching element 5.
  • the first series circuit 1 and the second series circuit 2 are referred to below.
  • the series connections 1 2 are connected in parallel.
  • the light-emitting diodes 3 are arranged within the series circuits 1, 2 so that their anodes lie against a common node.
  • the resistors 4 are arranged between the diodes 3 and the controllable switching elements 5.
  • the circuit arrangement 6 according to the invention comprises a current source 8.
  • the current source 8 is a controllable current source.
  • control and / or regulating means 9 according to the invention is provided in a circuit arrangement 6 according to the invention.
  • the control and / or regulating means 9 has several outputs 10.
  • the control and / or regulating means 9 is connected to the controllable current source 8 and the controllable switching elements 5 of the light-emitting diode array 7 via these outputs 10.
  • First outputs 10 of the control and / or regulating means 9 are connected to Steueranschlüs sen of the controllable switching elements 5 of the series circuits 1 and 2 of the Leuchtdio denfeldes 7. Control pulses can be given to the switching elements 5 via these first outputs 10 in order to close or open them.
  • a second output 10 is connected to the controllable current source 8. Via this second output 10, the control and / or regulating means 9 can send a signal to the controllable current source 8 in order to set the current to be supplied by the current source 8.
  • the control and / or regulating means 9 is set up in such a way that the light-emitting diodes 3 have a desired brightness.
  • controllable switching element 5 assigned to a light-emitting diode 3 is controlled to close within a clock period until the light-emitting diode 3 has produced the desired brightness.
  • FIG. 2 shows a flow chart to illustrate the determination of the switch-on times and the switch-off times. As a preparatory measure, all pulse widths are available for the process.
  • pulse widths PW ⁇ 100% are available. If the query is answered with "yes", the pulse with the largest pulse width is selected.
  • the pulse width is increased to 100% of the clock period.
  • the power requirement is then multiplied by the reciprocal of the magnification factor. All other pulse widths are adjusted equally.
  • pulse widths PW 100% are available by definition. The flowchart then continues at the point that is activated if the answer to the above query is "no".
  • the next smaller pulse is selected.
  • the pulse width of this pulse is set as the first sum pulse.
  • the remaining area which means the area that is still available when the total pulse is subtracted from the clock period, is then calculated.
  • Another query starts, namely whether a pulse is present so that the pulse width PW is smaller than the remaining range.
  • the switch-on and switch-off times of the individual pulses of the sum pulse can be specified.
  • the procedure here is such that the entire sum pulse is centered within one clock period.
  • the pulse is selected and a new sum pulse is calculated as the sum of the old sum pulse plus the pulse width of the selected pulse.
  • FIG. 3 shows a typical current profile of a light-emitting diode field controlled according to the invention during a clock period.
  • each light emitting diode is controlled individually.
  • a desired average brightness of the light-emitting diode can be set by specifically switching the individual light-emitting diodes on and off.
  • the light-emitting diode with a desired brightness of 100% is energized for the entire clock period.
  • the light-emitting diodes with other desired brightnesses are switched off again after the desired average brightness has been reached before the end of the cycle period.
  • FIG. 3 shows a current curve in which the pulses of the individual light-emitting diodes are arranged in time so that the switch-on and switch-off times overlap as little as possible.
  • FIG. 3 shows a current distribution during a clock period for 8 light-emitting diodes selected by way of example with the pulse widths shown below.
  • the light emitting diodes are operated in such a way that a maximum occurs in the middle of the clock period in order to minimize unwanted current peaks at the beginning of a clock period.
  • 3 is based on the following time division of the light-emitting diodes.
  • a 1 stands for a closed controllable switching element, so that the selected light-emitting diode is energized and a 0 for an open controllable switching element.
  • FIG. 4 shows a typical current profile of a light-emitting diode field activated according to the invention during a clock period with an adapted switch-on duration and level of current flow.
  • the individual light-emitting diodes are controlled as follows in the current curve shown in FIG.
  • the light-emitting diode with the highest switch-on time is set to 100% of the switch-on time within one clock period and at the same time the current level for this light-emitting diode is reduced by this factor.
  • the effective brightness of the light emitting diode remains the same with this procedure.
  • the other light-emitting diodes are accordingly energized longer by the same factor.
  • the current required is multiplied by the reciprocal value of this factor and thus reduced.
  • the switch-on and switch-off times for the light-emitting diodes are determined from a light-emitting diode field. This can be done according to the invention using the same method that was described in FIG.
  • FIG. 4 shows a current distribution during a clock period for 8 light-emitting diodes selected by way of example after the pulse width and the current requirement have been adapted, with the pulse widths shown below.
  • the individual light-emitting diodes are again arranged sequentially as far as possible so that the switch-on and switch-off times overlap as little as possible.
  • Fig. 4 results from the following time division of the light emitting diodes within a clock period.
  • a 1 stands for a closed controllable switching element, so that the selected light-emitting diode is energized and a 0 for an open controllable switching element.
  • FIG. 5a, b A further optimization is shown in Fig. 5a, b.
  • the figures show the power distribution of a light emitting diode field with three groups. Each group within the light emitting diode field shows a similar current curve that has already been described in FIG. 3.
  • 5a shows the case in which all groups use the same point in time as the start of their respective clock period.
  • the power consumption of each group within the LED field adds up.
  • peak powers of up to 270 W occur at the input of this circuit.
  • Fig. 5b the case is shown that the start of a clock period for each group is time-shifted by a time period At.
  • the groups are controlled offset by a third clock period.
  • a maximum input power of 190 W is set in this example.
  • the course of the power distribution is also more even.

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  • Led Devices (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
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  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Steuer- und/oder Regelungsmittel, zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes mit n Leuchtdioden, mit Ausgängen an denen Steuer- und/oder Regelsignale zum Steuern und/oder Regeln von steuerbaren Schaltelementen abgreifbar sind, wobei mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte von Impulsen durch die Steuersignale und/oder Regelsignale definierbar sind und ein und/oder mehrere steuerbare Schaltelemente während der ermittelten Impulse zum Schließen oder Öffnen ansteuerbar sind, wobei eine Anzahl von k Gruppen festlegbar oder festgelegt ist, jede LED einer der k Gruppen zugeordnet ist, so dass jede der k Gruppen mj Leuchtdioden enthält, wobei 1 ≤ j ≤ k und Formel I (FI) ist und die ermittelten Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte der Impulse einer jeden Gruppe durch das Steuer- und/oder Regelungsmittel so festlegt werden, dass sich die Impulse möglichst wenig überschneiden.

Description

Steuer- und/oder Regelungsmittel, Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung von Leuchtdioden in einem Leuchtdiodenfeld
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Steuer- und/oder Regelungsmittel, zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes, mit Ausgängen an denen Steuer- und/oder Regel signale zum Steuern und/oder Regeln von steuerbaren Schaltelementen abgreifbar sind, wobei Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte von Impulsen durch die Steuersignale und/oder Regelsignale definierbar sind und ein und/oder mehrere steu erbare Schaltelemente während der ermittelten Impulse zum Schließen oder Öffnen ansteuerbar sind. Eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung.
Bei Leuchtdiodenfeldern wird die Helligkeit jeder einzelnen Leuchtdiode über ein puls weitenmoduliertes (Strom-)Signal mit einem Impuls mit einer Pulsbreite PW=
0. . .100% gesteuert.
In der Regel wird dabei so verfahren, dass die Leuchtdioden zu Beginn einer Taktperi ode des PWM-Taktes eingeschaltet und nach dem für das Erreichen der gewünschten Helligkeit gewählten Einschaltzeitraum ausgeschaltet werden. Das Einschalten erfolgt somit für alle LED zeitgleich, das Ausschalten kann für jede LED zu einem anderen Ausschaltzeitpunkt erfolgen, je nach Pulsbreite des Impulses.
Dies führt zu einer starken Pulsstrombelastung in der Versorgung eines solchen Leuchtdiodenfeldes, insbesondere zum Einschaltzeitpunkt tein = 0. Dies wiederum er höht die Anforderungen an die Versorgung dieser Systeme und kann zu Problemen bei der EMV führen.
Ein solches Leuchtdiodenfeld befindet sich beispielsweise in neuartig entwickelten LED-Scheinwerfern mit mehreren zehntausend Leuchtdioden innerhalb eines Leucht- diodenfeldes. Hier ist es wünschenswert das Strommaximum im System zu reduzie ren und die Strom kurve insgesamt zu vergleichsmäßigen, um bessere EMV Verhält nisse zu erreichen und eine günstigere Auslegung der LED Versorgung zu ermögli chen
An diesem Punkt setzt die Erfindung an.
Der Erfindung lag das Problem zugrunde, ein Steuer- und/oder Regelungsmittel der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine gewünschte Lichtverteilung er reicht wird und gleichzeitig eine reduzierte Dynamik im Gesamtstrom und Spitzen strom erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Steuer- und/oder Re gelungsmittel, zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes mit n Leuchtdi oden, mit Ausgängen an denen Steuer- und/oder Regelsignale zum Steuern und/oder Regeln von steuerbaren Schaltelementen abgreifbar sind, wobei mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte von Im pulsen durch die Steuersignale und/oder Regelsignale definierbar sind und ein und/o der mehrere steuerbare Schaltelemente während der ermittelten Impulse zum Schlie ßen oder Öffnen ansteuerbar sind wobei eine Anzahl von k Gruppen festlegbar oder festgelegt ist, jede LED einer der k Gruppen zugeordnet ist, so dass jede der k Grup pen rrij Leuchtdioden enthält, wobei 1 < j < k und = n ist und die ermittelten Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte der Impulse einer jeden Gruppe durch das Steuer- und/oder Regelungsmittel so festlegt werden, dass sich die Impulse möglichst wenig überschneiden.
Durch das erfindungsgemäße Steuer- und Regelungsmittel werden die Einschaltzeit punkte und die Ausschaltzeitpunkte der LEDs so gewählt, dass nicht alle LEDs gleich zeitig zum Beginn der Taktperiode eingeschaltet werden.
Durch diese Maßnahme wird der Maximalstrom im System reduziert und die Strom kurve abgeflacht. Es kann vorgesehen sein, dass eine Helligkeit einer jeden Leuchtdiode rrij einer der k Gruppen durch Einstellen einer Pulsbreite des Impulses von 0...100% einer Taktperi ode und/oder Einstellen einer Amplitude des Impulses steuerbar ist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Einschaltzeitpunkt und/oder Aus schaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode rrtj einer Gruppe in Abhängigkeit der Pulsbreite und/oder der Amplitude des Impulses bestimmbar ist.
Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass die ermittelten Einschaltzeitpunkte und/o der Ausschaltzeitpunkte der Impulse innerhalb einer vorgegebenen Taktperiode lie gen.
Mit dem erfindungsgemäßen Steuer- und Regelungsmittel kann es vorgesehen sein, dass ermittelbar oder ermittelt ist, welche Impulse eine Pulsbreite =100% haben, wo bei der Einschaltzeitpunkt und der Ausschaltzeitpunkt für jeden dieser Impulse auf den Anfang bzw. das Ende einer Taktperiode festlegbar ist, ermittelbar oder ermittelt ist, welche Impulse eine Pulsbreite <100% haben, Impulse mit Pulsbreiten <100% zu Summenimpulsen zusammenfassbar sind, so lange die Summe der Pulsbreiten <=100% ist und der Einschaltzeitpunkt und/oder Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode in jeder Gruppe so festlegbar oder festgelegt ist, dass der Summen impuls mittig innerhalb einer Taktperiode liegt.
Durch die sequentielle Anordnung der Impulse, deren Pulsbreiten aufsummiert nah an 100% reichen sollten, ist es möglich einen gleichmäßigeren Strombedarf zu erzeugen. Ebenso wird der Summenimpuls in die Mitte einer Taktperiode gelegt. Hierdurch wird ein Maximum des Strom bedarfs, welches nicht immer zu vermeiden ist, ebenfalls in die Mitte einer Taktperiode verschoben. Die so entstehende Wellenform des Stromes führt dazu, dass die hohen Spitzenströme am Anfang einer Taktperiode, sowie steile Stromanstiege in kurzer Zeit, die zu EMV Problemen führen können, vermieden wer den können. Es besteht die Möglichkeit, dass die Anzahl der Gruppen 2 < k < n beträgt und der Beginn einer Taktperiode für jede Gruppe zeitversetzt um eine Zeitspanne
At2 ... Atk ansteuerbar ist.
Vorteilhafterweise kann die Zeitspanne Dί nach der Formel At = ermit telbar sein.
In diesem Fall wird der Beginn der Taktperiode für alle Gruppen um ^Taktperioden versetzt festgelegt. Hiermit kann erreicht werden, dass die Leistungsaufnahme des gesamten Leuchtdiodenfeldes gleichmäßiger ist. Hierdurch kann es möglich sein, dass an die Versorgung des Leuchtdiodenfeldes geringere Anforderungen gestellt werden können.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung, zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist ein Steuer- und/oder Regelungsmittel gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, eine Strom quelle und ein Leuchtdiodenfeld auf, wobei das Leuchtdiodenfeld wenigstens zwei Reihenschaltungen umfasst, die jeweils wenigstens eine Leuchtdiode und ein der Leuchtdiode zugeordnetes steuerbares Schaltelement umfassen, wobei ein Steueran schluss jedes steuerbaren Schaltelements mit einem Ausgang des Steuer und/oder Regelungsmittels verbunden ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Stromquelle durch das Steuer- und/oder Rege lungsmittel regelbar ist, so dass der Strom dem Strombedarf der Leuchtdioden ent spricht, deren zugeordnete steuerbare Schaltelemente geschlossen sind.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Leuchtdiodenfeld in 2 < k < n Grup pen eingeteilt ist. Durch die Einteilung in wenigstens 2 Gruppen besteht die Möglichkeit, den Beginn ei ner Taktperiode für jede Gruppe um eine Zeitspanne Dΐ zu versetzen und die bereits geschilderten Vorteile zu nutzen.
Das Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist wenigstens die nachfolgenden Schritte aufweist:
- das Steuer- und/oder Regelungsmittel prüft, welche Impulse eine Pulsbreite =100% haben,
- der Einschaltzeitpunkt und der Ausschaltzeitpunkt für jeden dieser Impulse wird auf den Anfang bzw. das Ende einer Taktperiode gelegt,
- das Steuer- und/oder Regelungsmittel prüft, welche Impulse eine Pulsbreite <100% haben,
- Impulse mit Pulsbreiten <100% können zu Summenimpulsen zusammenge fasst werden, so lange die Summe der Pulsbreiten <=100% ist,
- das Steuer- und/oder Regelungsmittel ermittelt den Einschaltzeitpunkt und/oder Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode in jeder Gruppe so, dass der Summenimpuls mittig innerhalb einer Taktperiode liegt,
- das Steuer- und/oder Regelungsmittel steuert die steuerbaren Schaltelemente für den ermittelten Einschaltzeitpunkt und/oder Ausschaltzeitpunkt der Impulse zum Schließen oder Öffnen an.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zum Betreiben einer erfindungs gemäßen Schaltungsanordnung, welches insbesondere zur Durchführung vor der Durchführung des oben geschilderten Verfahrens geeignet ist, wenigstens die nachfol genden Schritte aufweist:
- das Steuer- bzw. Regelungsmittel ermittelt die Impulsbreiten für jede Leuchtdi ode in einer Gruppe oder es werden die Impulsbreiten an das Steuer- und/oder Regelungsmittel übergeben,
- das Steuer- und/oder Regelungsmittel ermittelt die größte Impulsbreite,
- die größte Impulsbreite wird mit der Taktperiode verglichen,
- ist die größte Impulsbreite kürzer als die Taktperiode, wird ein Faktor berech net, der diese Impulsbreite auf 100% der Taktperiode vergrößert, - alle weiteren Impulsbreiten der Impulse für jede Leuchtdiode in einer Gruppe werden um den gleichen Faktor vergrößert,
- der benötigte Strombedarf jedes Impulses wird mit dem Kehrwert des Faktors multipliziert.
Die Helligkeitsverteilung, die zumeist im Vorhinein festgelegt wird, bleibt bei dieser Vor gehensweise gleich. Durch die Vergrößerung der Pulsbreiten und der damit möglichen Verkleinerung des Stromes kann der Gesamtstrom bedarf des Leuchtdiodenfeldes über eine Taktperiode gleichmäßiger werden. Ebenso ist es möglich das Maximum des Stro mes zu reduzieren.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung
Fig. 2 Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Ermittlung der Einschaltzeit punkte und der Ausschaltzeitpunkte
Fig. 3 einen typischen Stromverlauf eines Leuchtdiodenfeldes während einer
Taktperiode
Fig. 4 einen typischen Stromverlauf eines Leuchtdiodenfeldes während einer
Taktperiode bei angepasster Einschaltzeit und Bestromungshöhe
Fig. 5a, b eine Gegenüberstellung von typischen Leistungsverteilung eines Leucht diodenfeldes mit drei Gruppen ohne Verschiebung des Beginns einer Taktperiode (a) und mit Verschiebung des Beginns einer Taktperiode (b)
Die in der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 6 umfasst ein Leuchtdiodenfeld 7 aus zwei Reihenschaltungen 1 , 2. Jede Reihenschaltung 1 , 2 um fasst eine Leuchtdiode 3, einen Widerstand 4 und ein steuerbares Schaltelement 5.
Entsprechend der Indizes der Bezeichnungen der Bauelemente wird nachfolgend von der ersten Reihenschaltung 1 und der zweiten Reihenschaltung 2 gesprochen wer den. Die Reihenschaltungen 1 2 sind parallel geschaltet. Die Leuchtdioden 3 sind inner halb der Reihenschaltungen 1 ,2 so angeordnet, dass ihre Anoden an einem gemein samen Knoten anliegen. Die Widerstände 4 sind zwischen den Dioden 3 und den steuerbaren Schaltelementen 5 angeordnet. Neben dem Leuchtdiodenfeld 7 umfasst die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 6 eine Stromquelle 8. Bei der Strom quelle 8 handelt es sich um eine steuerbare Stromquelle.
Außerdem ist bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 6 ein erfindungsge mäßes Steuer- und/oder Regelungsmittel 9 vorgesehen. Das Steuer- und/oder Rege lungsmittel 9 hat mehrere Ausgänge 10. Über diese Ausgänge 10 ist das Steuer- und/oder Regelungsmittel 9 mit der steuerbaren Stromquelle 8 und den steuerbaren Schaltelementen 5 des Leuchtdiodenfeldes 7 verbunden.
Erste Ausgänge 10 des Steuer- und/oder Regelungsmittels 9 sind mit Steueranschlüs sen der steuerbaren Schaltelemente 5 der Reihenschaltungen 1 und 2 des Leuchtdio denfeldes 7 verbunden. Über diese ersten Ausgänge 10 können Steuerimpulse an die Schaltelemente 5 gegeben werden, um diese zu Schließen oder zu Öffnen. Ein zwei ter Ausgang 10 ist mit der steuerbaren Stromquelle 8 verbunden. Über diesen zweiten Ausgang 10 kann von dem Steuer- und/oder Regelungsmittel 9 ein Signal an die steu erbare Stromquelle 8 gegeben werden, um den von der Stromquelle 8 zu liefernden Strom einzustellen. Das Steuer- und/oder Regelungsmittel 9, ist so eingerichtet, dass die Leuchtdioden 3 eine gewünschte Helligkeit haben.
Dies wird dadurch erreicht, dass das, einer Leuchtdiode 3 zugeordnete steuerbare Schaltelement 5 innerhalb einer Taktperiode so lange zum Schließen angesteuert wird, bis die Leuchtdiode 3 die gewünschte Helligkeit erbracht hat.
Dieser Impuls wird mit einer Pulsbreite in % einer Taktperiode beschrieben und liegt zwischen 0...100%. Das Ein- und Ausschalten erfolgt mit einer so hohen Frequenz, dass es für das menschliche Auge nicht erkennbar ist. Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Ermittlung der Einschalt zeitpunkte und der Ausschaltzeitpunkte. Als vorbereitende Maßnahme liegen dem Vorgang alle Impulsbreiten vor.
Zu Beginn des Flussdiagramms wird unterschieden, ob Impulsbreiten PW<100% vor handen sind. Ist die Abfrage mit„ja“ zu beantworten wird der Impuls mit der größten Impulsbreite ausgewählt.
Die Impulsbreite wird auf 100 % der Taktperiode vergrößert. Im Anschluss daran wird der Strombedarf mit dem Kehrwert des Vergrößerungsfaktors multipliziert. Alle weite ren Impulsbreiten werden gleichermaßen angepasst.
Nach dem durchlaufen dieser Schleife sind definitionsgemäß Impulsbreiten PW=100 % vorhanden. Das Flussdiagramm fährt dann an der Stelle fort, die angesteuert wird, wenn bei der obigen Anfrage mit„nein“ geantwortet wird.
Die Impulsbreiten werden der Größe nach sortiert. Im Anschluss daran wird ein Impuls mit der Pulsbreite PW=100% ausgewählt und der Einschaltzeitpunkt und Ausschalt zeitpunkt für diesen Impuls festgelegt. Normalerweise werden der Einschaltzeitpunkt der Beginn der Taktperiode und der Ausschaltzeitpunkt das Ende der Taktperiode sein.
Im Anschluss daran wird geprüft ob ein weiterer Impuls mit PW=100% vorhanden ist.
Ist die Abfrage mit„ja“ zu beantworten, startet die Schleife bei der Auswahl des Impul ses erneut.
Ist die Abfrage mit„nein“ zu beantworten, wird der nächst kleinere Impuls ausgewählt. Die Impulsbreite dieses Impulses wird als erster Summenimpuls gesetzt. Im An schluss wird der Restbereich, dies bedeutet der Bereich, der noch vorhanden ist, wenn man den Summen Impuls von der Taktperiode abzieht, berechnet. Es startet eine weitere Abfrage und zwar, ob ein Impuls vorhanden ist sodass die Pulsbreite PW kleiner als der Restbereich ist.
Wird die Abfrage mit„nein“ beantwortet, kann der Einschaltzeitpunkte und der Aus schaltzeitpunkte der einzelnen Impulse des Summenimpulses festgelegt werden. Hier bei wird erfindungsgemäß so verfahren dass der gesamte Summen Impuls mittig in nerhalb einer Taktperiode liegt.
Wird die Abfrage mit„ja“ beantwortet, wird der Impuls ausgewählt und ein neuer Sum menimpuls als Summe des alten Summenimpulses plus die Pulsbreite des ausge wählten Impulses berechnet.
Mit diesem neuen Summenimpuls wird die Berechnung des Restbereiches erneut ge startet und die Schleife erneut durchlaufen.
Werden keine Impulse mehr gefunden die in den vorhandenen Restbereich passen, wird geprüft, ob alle Impulse bereits ausgewählt wurden.
Ist dies der Fall, endet der Ablauf. Wird die Abfrage mit„nein“ beantwortet, wird der nächstkleinere noch nicht ausgewählte Impuls ausgewählt und die Schleife ab diesem Punkt wieder durchlaufen.
Figur 3 zeigt einen typischen Stromverlauf eines erfindungsgemäß angesteuerten Leuchtdiodenfeldes während einer Taktperiode.
Für bestimmte Anwendungen von Leuchtdiodenfeldern, beispielsweise in Scheinwer fern, ist eine Lichtverteilung mit unterschiedlichen Helligkeitsstufen gewollt. Aus die sem Grunde wird jede Leuchtdiode einzeln angesteuert. Durch ein gezieltes Ein- und Ausschalten der einzelnen Leuchtdioden kann eine gewünschte mittlere Helligkeit der Leuchtdiode eingestellt werden.
Die Leuchtdiode mit einer gewünschten Helligkeit von 100% wird in diesem Fall für die gesamte Taktperiode bestromt. Die Leuchtdioden mit anderen gewünschten Helligkeiten, werden nach dem Erreichen der gewünschten mittleren Helligkeit bereits vor dem Ende der Taktperiode wieder ausgeschaltet.
Für die Leuchtdioden mit einer gewünschten Helligkeit von weniger als 100% ergibt sich somit die Möglichkeit den Einschaltzeitpunkt und den Ausschaltzeitpunkt inner halb der Taktperiode zu verschieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 3 einen Stromverlauf, bei dem die Im pulse der einzelnen Leuchtdioden zeitlich so angeordnet werden, dass sich die Ein- bzw. Ausschaltzeitpunkte möglichst wenig überlappen.
Fig. 3 zeigt dabei eine Stromverteilung während einer Taktperiode für beispielhaft aus gewählte 8 Leuchtdioden mit den nachfolgend bezeigten Impulsbreiten.
Die Leuchtdioden werden zeitlich so betrieben, dass ein Maximum in der Mitte der Taktperiode auftritt, um nicht gewünschte Stromspitzen am Anfang einer Taktperiode zu minimieren.
Der Fig. 3 liegt folgende zeitliche Aufteilung der Leuchtdioden zu Grunde.
Hierbei steht eine 1 für ein geschlossenes steuerbares Schaltelement, so dass die ausgewählte Leuchtdiode bestromt wird und eine 0 für ein geöffnetes steuerbares Schaltelement.
Fig. 4 zeigt einen typischen Stromverlauf eines erfindungsgemäß angesteuerten Leuchtdiodenfeldes während einer Taktperiode bei angepasster Einschaltdauer und Bestromungshöhe.
Für den auftretenden Fall, dass keine Leuchtdiode in einem Leuchtdiodenfeld eine Helligkeit von 100% erreichen soll, wäre es durchaus denkbar, den Impuls für jede Leichtdiode wie in Fig. 3 dargestellt auf eine Taktperiode zu verteilen.
Zur Optimierung des Stromverbrauchs und der Dynamik im Gesamtstrom wird bei dem in Fig. 4 gezeigten Stromverlauf eine Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden folgendermaßen vorgenommen.
Die Leuchtdiode mit der höchsten Einschaltdauer wird auf 100 % der Einschaltzeit in nerhalb einer Taktperiode gesetzt und gleichzeitig die Bestromungshöhe für diese Leuchtdiode um diesen Faktor reduziert.
Die effektive Helligkeit der Leuchtdiode bleibt bei dieser Vorgehensweise gleich.
Die anderen Leuchtdioden werden dementsprechend um den gleichen Faktor länger bestromt. Der benötigte Strom wird mit dem Kehrwert dieses Faktors multipliziert und damit verkleinert. Erst nachdem dieser Vorgang durchgeführt wurde, werden für die Leuchtdioden aus einem Leuchtdiodenfeld die Ein- und Ausschaltzeitpunkte ermittelt. Dies kann erfin dungsgemäß nach dem gleichen Verfahren erfolgen, welches in Fig. 3 beschrieben wurde.
Fig. 4 zeigt dabei eine Stromverteilung während einer Taktperiode für beispielhaft aus gewählte 8 Leuchtdioden nachdem die Impulsbreite und der Strom bedarf angepasst wurden, mit den nachfolgend bezeigten Impulsbreiten.
Die einzelnen Leuchtdioden werden, soweit möglich wieder sequenziell angeordnet, so dass sich die Ein- und Ausschaltzeitpunkte möglichst wenig überschneiden.
Fig. 4 ergibt sich aus folgender zeitlichen Aufteilung der Leuchtdioden innerhalb einer Taktperiode.
Hierbei steht eine 1 für ein geschlossenes steuerbares Schaltelement, so dass die ausgewählte Leuchtdiode bestromt wird und eine 0 für ein geöffnetes steuerbares Schaltelement.
Der Vorteil bei dieser Vorgehensweise ist eine reduzierte Dynamik im Gesamtstrom und im Spitzenstrom.
Eine weitere Optimierung ist in Fig. 5a, b gezeigt. Die Figuren zeigen die Leistungs verteilung von einem Leuchtdiodenfeld mit drei Gruppen. Jede Gruppe innerhalb des Leuchtdiodenfeldes zeigt dabei einen ähnlichen Stromverlauf, der in Fig. 3 bereits be schrieben wurde.
Hierbei zeigt Fig. 5a den Fall, dass alle Gruppen den gleichen Zeitpunkt als Beginn für ihre jeweilige Taktperiode nutzen. Die Leistungsaufnahme jeder Gruppe innerhalb des Leuchtdiodenfeldes addiert sich. Im vorliegenden Beispiel von Fig. 5a treten in der Spitze Leistungen bis 270 W am Eingang dieser Schaltung auf.
In Fig. 5b wird der Fall gezeigt, dass der Beginn einer Taktperiode für jede Gruppe zeitversetzt um eine Zeitspanne At ist. Hier werden die Gruppen um je eine Drittel Taktperiode versetzt angesteuert.
Damit ergibt sich die in Fig. 5b gezeigte Leistungsverteilung.
Aufgrund der Überlagerung der drei zeitversetzten Gruppen stellt sich in diesem Bei spiel nur noch eine maximale Eingangsleistung von 190 W ein. Ebenfalls ist der Ver lauf der Leistungsverteilung gleichmäßiger.
Die erfindungsgemäße Ansteuerung von mehreren Gruppen innerhalb eines Leuchtdi odenfeldes wirkt sich positiv auf die Leistungsaufnahme aus. Bezugszeichenliste
1 , 2 Reihenschaltungen
3 Diode
4 Widerstand
5 steuerbares Schaltelement
6 Schaltungsanordnung
7 Leuchtdiodenfeld
8 Stromquelle
9 Steuer- und/oder Regelungsmittel
10 Ausgänge

Claims

Steuer- und/oder Regelungsmittel, Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung von Leuchtdioden in einem Leuchtdiodenfeld Patentansprüche
1. Steuer- und/oder Regelungsmittel (9), zum Steuern und/oder Regeln eines
Leuchtdiodenfeldes (7) mit n Leuchtdioden (3), mit Ausgängen (10) an de nen Steuer- und/oder Regelsignale zum Steuern und/oder Regeln von steu erbaren Schaltelementen (5) abgreifbar sind,
wobei mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel (9)
- Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte von Impulsen
durch die Steuersignale und/oder Regelsignale definierbar sind,
- ein und/oder mehrere steuerbare Schaltelemente (5) während der er mittelten Impulse zum Schließen oder Öffnen ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Anzahl von k Gruppen festlegbar oder festgelegt ist,
- jede LED (3) einer der k Gruppen zugeordnet ist, so dass jede der k Gruppen nij Leuchtdioden enthält, wobei 1 < j < k und rrij = n ist,
- die ermittelten Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte der Impulse einer jeden Gruppe durch das Steuer- und/oder Regelungs mittel so festlegt werden, dass sich die Impulse möglichst wenig überschneiden.
2. Steuer- und Regelungsmittel (9) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Helligkeit einer jeden Leuchtdiode nij (3) einer der k Gruppen durch Einstellen einer Pulsbreite des Impulses von 0...100% einer Taktperiode und/oder Einstellen einer Amplitude des Impulses steuerbar ist.
3 Steuer- und Regelungsmittel (9) nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Einschaltzeitpunkt und/oder Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode m;- (3) einer Gruppe in Abhängigkeit der Pulsbreite und/oder der Amplitude des Impulses bestimmbar ist.
4. Steuer- und Regelungsmittel (9) nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ermittelten Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte der Im pulse innerhalb einer vorgegebenen Taktperiode liegen.
5. Steuer- und Regelungsmittel (9) nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel
(9)
- ermittelbar oder ermittelt ist, welche Impulse eine Pulsbreite =100% haben, wobei der Einschaltzeitpunkt und der Ausschaltzeitpunkt für jeden dieser Impulse auf den Anfang bzw. das Ende einer Taktperi ode festlegbar ist,
- ermittelbar oder ermittelt ist, welche Impulse eine Pulsbreite <100% haben,
- Impulse mit Pulsbreiten <100% zu Summenimpulsen zusammen fassbar sind, so lange die Summe der Pulsbreiten <=100% ist,
- der Einschaltzeitpunkt und/oder Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode (3) in jeder Gruppe so festlegbar oder festgelegt ist, dass der Summenimpuls mittig innerhalb einer Taktperiode liegt.
6. Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der Gruppen 2 < k < n beträgt und
der Beginn einer Taktperiode für jede Gruppe zeitversetzt um eine Zeit spanne At2 ... Atk ansteuerbar ist.
7. Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der die Zeitspanne Dί nach der Formel M = ermittelbar ist.
8. Schaltungsanordnung (6), zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdio denfeldes (7),
aufweisend
- ein Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7,
- eine Stromquelle (8),
- ein Leuchtdiodenfeld (7),
wobei das Leuchtdiodenfeld (7) wenigstens zwei Reihenschaltungen (1 , 2) umfasst, die jeweils wenigstens eine Leuchtdiode (3) und ein der Leuchtdi ode (3) zugeordnetes steuerbares Schaltelement (5) umfassen, wobei ein Steueranschluss jedes steuerbaren Schaltelements (5) mit einem Ausgang (10) des Steuer und/oder Regelungsmittels (9) verbunden ist.
9. Schaltungsanordnung (6) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stromquelle (8) durch das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) regel bar ist, so dass der Strom dem Strom bedarf der Leuchtdioden (3) ent spricht, deren zugeordnete steuerbare Schaltelemente (5) geschlossen sind.
10. Schaltungsanordnung (6), nach Anspruch 8 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Leuchtdiodenfeld (7) in 2 < k < n Gruppen eingeteilt ist.
11. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (6) mit den Merkma len der Ansprüche 8 bis 10,
wobei das Verfahren wenigstens die nachfolgenden Schritte aufweist: - das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) prüft, welche Impulse eine Pulsbreite =100% haben,
- der Einschaltzeitpunkt und der Ausschaltzeitpunkt für jeden dieser Impulse wird auf den Anfang bzw. das Ende einer Taktperiode ge legt,
- das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) prüft, welche Impulse eine Pulsbreite <100% haben,
- Impulse mit Pulsbreiten <100% können zu Summenimpulsen zusam mengefasst werden, so lange die Summe der Pulsbreiten <=100% ist,
- das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) ermittelt den Einschaltzeit punkt und/oder Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdi ode (3) in jeder Gruppe so, dass der Summenimpuls mittig innerhalb einer Taktperiode liegt,
- das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) steuert die steuerbaren Schaltelemente (5) für den ermittelten Einschaltzeitpunkt und/oder Ausschaltzeitpunkt der Impulse zum Schließen oder Öffnen an.
12. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (6) mit den Merkma len der Ansprüche 8 bis 10, insbesondere zur Durchführung vor der Durch führung des Verfahrens nach Anspruch 11 ,
wobei das Verfahren wenigstens die nachfolgenden Schritte aufweist:
- das Steuer- bzw. Regelungsmittel (9) ermittelt die Impulsbreiten für jede Leuchtdiode (3) in einer Gruppe oder es werden die Impulsbrei ten an das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) übergeben,
- das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) ermittelt die größte Impuls breite,
- die größte Impulsbreite wird mit der Taktperiode verglichen,
- ist die größte Impulsbreite kürzer als die Taktperiode, wird ein Faktor berechnet, der diese Impulsbreite auf 100% der Taktperiode vergrö ßert, - alle weiteren Impulsbreiten der Impulse für jede Leuchtdiode (3) in ei ner Gruppe werden um den gleichen Faktor vergrößert,
- der benötigte Strom bedarf jedes Impulses wird mit dem Kehrwert des Faktors multipliziert.
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