EP3935921B1 - 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 Download PDF

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EP3935921B1
EP3935921B1 EP20705962.7A EP20705962A EP3935921B1 EP 3935921 B1 EP3935921 B1 EP 3935921B1 EP 20705962 A EP20705962 A EP 20705962A EP 3935921 B1 EP3935921 B1 EP 3935921B1
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EP
European Patent Office
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controlling
light
impulses
regulating unit
impulse
Prior art date
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Dieter Nietfeld
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Hella GmbH and Co KGaA
Original Assignee
Hella GmbH and Co KGaA
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Publication date
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    • H05B45/10—Controlling the intensity of the light
    • H05B45/14—Controlling the intensity of the light using electrical feedback from LEDs or from LED modules
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    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/32—Pulse-control circuits
    • H05B45/325—Pulse-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 can be defined by the control signals and/or control signals and one and/or more controllable switching elements can be controlled during the determined pulses for closing or opening.
  • a circuit arrangement and a method for operating the circuit arrangement are examples of the circuit arrangement.
  • the procedure is such that the LEDs are switched on at the beginning of a clock period of the PWM clock and switched off after the switch-on period selected to achieve the desired brightness. All LEDs are switched on at the same time; each LED can be switched off at a different time, depending on the pulse width of the pulse.
  • the document DE 10 2008 0600 42 A1 discloses a method for controlling a lighting unit, in which at least one chain is formed with a predeterminable number of individual LED light sources, each of which is supplied with energy by a converter unit.
  • the switch-on times and switch-off times of the LED light sources in a chain during a PWM period are calculated in such a way that the switch-on times of the LED light sources during the PWM period are offset from one another, with a switched-off LED light source only being switched on during a PWM period when a switched-on LED light source is switched off.
  • Light-emitting diode fields are found, for example, in newly developed LED headlights with tens of thousands of light-emitting diodes within a light-emitting 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 control and regulation means selects the switch-on times and the switch-off times of the LEDs so that not all LEDs are switched on at the same time at the beginning of the clock period.
  • the pulse widths of which should be close to 100% it is possible to generate a more uniform power requirement.
  • the sum pulse is placed in the middle of a clock period.
  • a maximum of the power 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.
  • a brightness of each light-emitting diode m j of one of the k groups can also be controlled by adjusting 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 m j of a group depending on the pulse width and/or the amplitude of the pulse.
  • the determined switch-on times and/or switch-off times of the pulses lie within a predetermined clock period.
  • the number of groups is 2 ⁇ k ⁇ n and the start of a clock period for each group can be controlled with a time delay of a time period ⁇ t 2 ... ⁇ t k .
  • the start of the clock period for all groups is at 1 k Clock periods are offset. This can ensure that the power consumption of the entire LED field is more uniform. This makes it possible for lower demands to be placed on the supply of the light-emitting diode field.
  • the invention further 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, wherein the light-emitting diode field comprises at least two series circuits, each of which comprises at least one light-emitting diode and a controllable switching element assigned to the light-emitting diode, wherein a control connection of each controllable switching element is connected to an output of the control and/or regulating means.
  • the power source can be regulated by the control and/or regulating means, so that the current corresponds to the power requirement of the light-emitting diodes, the associated controllable switching elements of which are closed.
  • the light-emitting diode field is divided into 2 ⁇ k ⁇ n groups.
  • the brightness distribution which is usually determined in advance, remains the same with this approach.
  • the pulse widths and thus possible reduction of the current the total current requirement of the LED field can become more uniform over a clock period. It is also possible to reduce the maximum current.
  • the circuit arrangement 6 comprises a light-emitting diode array 7 made up of two series circuits 1, 2.
  • Each series circuit 1, 2 comprises a light-emitting diode 3, a resistor 4 and a controllable switching element 5.
  • first series connection 1 and the second series connection 2 will be referred to below.
  • the series circuits 1, 2 are connected in parallel.
  • the light-emitting diodes 3 are arranged within the series circuits 1, 2 so that their anodes rest on 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 includes 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.
  • 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 field 7 via these outputs 10.
  • First outputs 10 of the control and/or regulating means 9 are connected to control connections of the controllable switching elements 5 of the series circuits 1 and 2 of the light-emitting diode array 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 power source 8. Via this second output 10, a signal can be given by the control and/or regulating means 9 to the controllable current source 8 in order to adjust the current to be supplied by the current source 8.
  • the control and/or regulating means 9 is set up so 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 provided the desired brightness.
  • This pulse is described with a pulse width in % of a clock period and is between 0...100%.
  • the switching on and off occurs at such a high frequency that it is undetectable to the human eye.
  • Figure 2 shows a flowchart 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 present. If the answer to the query is “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.
  • the next smaller impulse is selected.
  • the pulse width of this pulse is set as the first total pulse.
  • the remaining range which means the range that is still available when the total pulse is subtracted from the clock period, is then calculated.
  • Another query starts, namely whether there is a pulse 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 determined.
  • the procedure is such that the entire sum pulse lies centrally within a clock period.
  • the pulse is selected and a new total pulse is calculated as the sum of the old total pulse plus the pulse width of the selected pulse.
  • Figure 3 shows a typical current curve of a light-emitting diode field controlled according to the invention during a clock period.
  • each LED is controlled individually. By specifically switching the individual LEDs on and off, a desired average brightness of the LED can be set.
  • 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 before the end of the clock period after the desired average brightness has been reached.
  • Fig. 3 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 selected 8 light-emitting diodes 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.
  • the Fig. 3 is based on the following temporal division of the LEDs.
  • 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.
  • Time t[ms] 8th 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0.18 0 1 1 0 0 0 0 0 0.27 0 1 1 1 0 0 0 0 0.40 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0.62 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0.81 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1.98 1 1 1 1 1 1 1 0 2.94 1 1 1 1 1 1 0 1 3.39 1 1 1 1 1 1 1 1 0 4.19 1 1 1 1 1 1 1 0 0 4.38 1 1 1 1 1 0 0 0 4.60 1 1 1 1 0 0 0 0 4.73 0 1 1 1 0 0 0 0 4.82 0 1 1 0 0 0
  • Fig. 4 shows a typical current curve of a light-emitting diode field controlled according to the invention during a clock period with an adjusted duty cycle and current level.
  • the LED with the highest duty cycle is set to 100% of the switch-on time within a cycle period and at the same time the current level for this LED 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 for longer by the same factor.
  • the required current is multiplied by the reciprocal of this factor and thus reduced.
  • Fig. 4 shows a current distribution during a clock period for selected 8 LEDs as an example after the pulse width and the power requirement have been adjusted, with the pulse widths shown below.
  • the individual LEDs are, as far as possible, arranged sequentially so that the switch-on and switch-off times overlap as little as possible.
  • Fig. 4 results from the following temporal division of the LEDs within a clock period.
  • Time t[ms] 8th 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0.13 0 1 1 0 0 0 0 1 0.19 0 1 1 1 0 0 0 1 0.23 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0.48 1 1 1 1 1 0 0 1 1.09 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1.46 1 1 1 1 1 1 1 1 0 3.54 1 1 1 1 1 1 0 0 4.52 1 1 1 1 0 1 0 0 4.77 0 1 1 1 0 1 0 0 4.81 0 0 1 1 0 1 0 0 0 4.87 0 0 1 1 0 0 0 0 5.00 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
  • 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 Another optimization is in Fig. 5a, b shown.
  • the figures show the power distribution of a light-emitting diode array with three groups. Each group within the LED field shows a similar current curve, which is in Fig. 3 has already been described.
  • Fig. 5a This shows Fig. 5a the case that all groups use the same 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 delayed by a time period ⁇ t.
  • the groups are controlled offset by a third of a clock period.
  • this example only results in a maximum input power of 190 W.
  • the power distribution is also more even.
  • the inventive control of several groups within a light-emitting diode field has a positive effect on power consumption.

Landscapes

  • Led Devices (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuer- und/oder Regelungsmittel, zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes, mit Ausgängen an denen Steuer- und/oder Regelsignale 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 steuerbare 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 pulsweitenmoduliertes (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 Taktperiode 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 erhöht die Anforderungen an die Versorgung dieser Systeme und kann zu Problemen bei der EMV führen.
  • Das Dokument DE 10 2008 0600 42 A1 offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung einer Beleuchtungseinheit, bei welchem mindestens eine Kette mit einer vorgebbaren Anzahl von einzelnen LED-Lichtquellen gebildet wird, die jeweils von einer Wandlereinheit mit Energie versorgt wird. Die Einschaltzeitpunkte und Ausschaltzeitpunkte der LED-Lichtquellen einer Kette während einer PWM-Periode werden so berechnet, dass die Einschaltzeitpunkte der LED-Lichtquellen während der PWM-Periode gegeneinander versetzt werden, wobei eine ausgeschaltete LED-Lichtquelle während einer PWM-Periode nur dann eingeschaltet wird, wenn eine eingeschaltete LED-Lichtquelle ausgeschaltet wird.
  • Leuchtdiodenfelder befindet sich beispielsweise in neuartig entwickelten LED-Scheinwerfern mit mehreren zehntausend Leuchtdioden innerhalb eines Leuchtdiodenfeldes. Hier ist es wünschenswert das Strommaximum im System zu reduzieren und die Stromkurve insgesamt zu vergleichsmäßigen, um bessere EMV Verhältnisse zu erreichen und eine günstigere Auslegung der LED Versorgung zu ermöglichen 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 erreicht wird und gleichzeitig eine reduzierte Dynamik im Gesamtstrom und Spitzenstrom erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein 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 ∑ j = 1 k m j = n
    Figure imgb0001
     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, wobei
    • eine Helligkeit einer jeden Leuchtdiode mj einer der k Gruppen durch Einstellen einer Pulsbreite des Impulses von 0...100% einer Taktperiode steuerbar ist und
    • mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel
      • 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 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,
      • der Einschaltzeitpunkt und/oder Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode in jeder Gruppe so festlegbar oder festgelegt ist, dass der Summenimpuls mittig innerhalb einer Taktperiode liegt.
  • Durch das erfindungsgemäße Steuer- und Regelungsmittel werden die Einschaltzeitpunkte und die Ausschaltzeitpunkte der LEDs so gewählt, dass nicht alle LEDs gleichzeitig zum Beginn der Taktperiode eingeschaltet werden.
  • 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 Strombedarfs, 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 werden können.
  • Durch diese Maßnahme wird der Maximalstrom im System reduziert und die Stromkurve abgeflacht.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine Helligkeit einer jeden Leuchtdiode mj einer der k Gruppen auch durch Einstellen einer Amplitude des Impulses steuerbar ist.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Einschaltzeitpunkt und/oder Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode mj einer Gruppe in Abhängigkeit der Pulsbreite und/oder der Amplitude des Impulses bestimmbar ist.
  • Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass die ermittelten Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte der Impulse innerhalb einer vorgegebenen Taktperiode liegen.
  • 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 Δt 2 ... Δtk ansteuerbar ist. Vorteilhafterweise kann die Zeitspanne Δ t nach der Formel Δ t = Taktperiode k ermit- telbar sein .
    Figure imgb0002
  • In diesem Fall wird der Beginn der Taktperiode für alle Gruppen um 1 k
    Figure imgb0003
     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 Stromquelle 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 Steueranschluss 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 Regelungsmittel regelbar ist, so dass der Strom dem Strombedarf der Leuchtdioden entspricht, deren zugeordnete steuerbare Schaltelemente geschlossen sind.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Leuchtdiodenfeld in 2 ≤ k ≤ n Gruppen eingeteilt ist.
  • Durch die Einteilung in wenigstens 2 Gruppen besteht die Möglichkeit, den Beginn einer Taktperiode für jede Gruppe um eine Zeitspanne Δt 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 zusammengefasst 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 erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, welches insbesondere zur Durchführung vor der Durchführung des oben geschilderten Verfahrens geeignet ist, wenigstens die nachfolgenden Schritte aufweist:
    • das Steuer- bzw. Regelungsmittel ermittelt die Impulsbreiten für jede Leuchtdiode 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 berechnet, 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 Vorgehensweise gleich. Durch die Vergrößerung der Pulsbreiten und der damit möglichen Verkleinerung des Stromes kann der Gesamtstrombedarf des Leuchtdiodenfeldes über eine Taktperiode gleichmäßiger werden. Ebenso ist es möglich das Maximum des Stromes 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 Einschaltzeitpunkte 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 Leuchtdiodenfeldes 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 umfasst 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 werden.
  • Die Reihenschaltungen 1, 2 sind parallel geschaltet. Die Leuchtdioden 3 sind innerhalb der Reihenschaltungen 1 ,2 so angeordnet, dass ihre Anoden an einem gemeinsamen 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 Stromquelle 8 handelt es sich um eine steuerbare Stromquelle.
  • Außerdem ist bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 6 ein erfindungsgemäßes Steuer- und/oder Regelungsmittel 9 vorgesehen. Das Steuer- und/oder Regelungsmittel 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 Steueranschlüssen der steuerbaren Schaltelemente 5 der Reihenschaltungen 1 und 2 des Leuchtdiodenfeldes 7 verbunden. Über diese ersten Ausgänge 10 können Steuerimpulse an die Schaltelemente 5 gegeben werden, um diese zu Schließen oder zu Öffnen. Ein zweiter 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 steuerbare 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 Einschaltzeitpunkte und der Ausschaltzeitpunkte. Als vorbereitende Maßnahme liegen dem Vorgang alle Impulsbreiten vor.
  • Zu Beginn des Flussdiagramms wird unterschieden, ob Impulsbreiten PW<100% vorhanden 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 weiteren 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 Ausschaltzeitpunkt 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 Impulses erneut.
  • Ist die Abfrage mit "nein" zu beantworten, wird der nächst kleinere Impuls ausgewählt. Die Impulsbreite dieses Impulses wird als erster Summenimpuls gesetzt. Im Anschluss 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 Ausschaltzeitpunkte der einzelnen Impulse des Summenimpulses festgelegt werden. Hierbei wird erfindungsgemäß so verfahren dass der gesamte Summen Impuls mittig innerhalb einer Taktperiode liegt.
  • Wird die Abfrage mit "ja" beantwortet, wird der Impuls ausgewählt und ein neuer Summenimpuls als Summe des alten Summenimpulses plus die Pulsbreite des ausgewählten Impulses berechnet.
  • Mit diesem neuen Summenimpuls wird die Berechnung des Restbereiches erneut gestartet 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 Scheinwerfern, ist eine Lichtverteilung mit unterschiedlichen Helligkeitsstufen gewollt. Aus diesem 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 innerhalb der Taktperiode zu verschieben.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 3 einen Stromverlauf, bei dem die Impulse 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 ausgewählte 8 Leuchtdioden mit den nachfolgend bezeigten Impulsbreiten.
    LED 8 7 6 5 4 3 2 1
    PW in % 84,00 100,00 92,62 89,03 75,00 67,74 38,62 17,75
  • 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.
    Zeit t[ms] 8 7 6 5 4 3 2 1
    0 0 1 0 0 0 0 0 0
    0,18 0 1 1 0 0 0 0 0
    0,27 0 1 1 1 0 0 0 0
    0,40 1 1 1 1 0 0 0 0
    0,62 1 1 1 1 1 0 0 0
    0,81 1 1 1 1 1 1 0 0
    1,98 1 1 1 1 1 1 1 0
    2,94 1 1 1 1 1 1 0 1
    3,39 1 1 1 1 1 1 1 0
    4,19 1 1 1 1 1 1 0 0
    4,38 1 1 1 1 1 0 0 0
    4,60 1 1 1 1 0 0 0 0
    4,73 0 1 1 1 0 0 0 0
    4,82 0 1 1 0 0 0 0 0
    5,00 0 1 0 0 0 0 0 0
  • 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 innerhalb 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 erfindungsgemäß nach dem gleichen Verfahren erfolgen, welches in Fig. 3 beschrieben wurde.
  • Fig. 4 zeigt dabei eine Stromverteilung während einer Taktperiode für beispielhaft ausgewählte 8 Leuchtdioden nachdem die Impulsbreite und der Strombedarf angepasst wurden, mit den nachfolgend bezeigten Impulsbreiten.
    LED 8 7 6 5 4 3 2 1
    PW in % 90,70 96,13 100,00 96,13 80,98 75,58 41,70 19,17
  • 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.
    Zeit t[ms] 8 7 6 5 4 3 2 1
    0 0 1 1 0 0 0 0 0
    0,13 0 1 1 0 0 0 0 1
    0,19 0 1 1 1 0 0 0 1
    0,23 1 1 1 1 0 0 0 1
    0,48 1 1 1 1 1 0 0 1
    1,09 1 1 1 1 1 1 0 0
    1,46 1 1 1 1 1 1 1 0
    3,54 1 1 1 1 1 1 0 0
    4,52 1 1 1 1 0 1 0 0
    4,77 0 1 1 1 0 1 0 0
    4,81 0 0 1 1 0 1 0 0
    4,87 0 0 1 1 0 0 0 0
    5,00 0 1 1 0 0 0 0 0
  • 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 Leistungsverteilung von einem Leuchtdiodenfeld mit drei Gruppen. Jede Gruppe innerhalb des Leuchtdiodenfeldes zeigt dabei einen ähnlichen Stromverlauf, der in Fig. 3 bereits beschrieben 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 Δt 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 Beispiel nur noch eine maximale Eingangsleistung von 190 W ein. Ebenfalls ist der Verlauf der Leistungsverteilung gleichmäßiger.
  • Die erfindungsgemäße Ansteuerung von mehreren Gruppen innerhalb eines Leuchtdiodenfeldes wirkt sich positiv auf die Leistungsaufnahme aus.

Claims (11)

  1. Steuer- und/oder Regelungsmittel (9), zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes (7) mit n Leuchtdioden (3), mit Ausgängen (10) an denen Steuer- und/oder Regelsignale zum Steuern und/oder Regeln von steuerbaren 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 ermittelten Impulse zum Schließen oder Öffnen ansteuerbar sind,
    wobei
    - eine Anzahl von k Gruppen festlegbar oder festgelegt ist,
    - jede LED (3) einer der k Gruppen zugeordnet ist, so dass jede der k Gruppen mj Leuchtdioden enthält, wobei 1 ≤ j ≤ k und ∑ j = 1 k m j = n
    Figure imgb0004
     ist,
    - 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,
    - -eine Helligkeit einer jeden Leuchtdiode mj (3) einer der k Gruppen durch Einstellen einer Pulsbreite des Impulses von 0...100% einer Taktperiode steuerbar ist und 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 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel 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.
  2. Steuer- und Regelungsmittel (9) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Helligkeit einer jeden Leuchtdiode mj (3) einer der k Gruppen auch durch 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 mj (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 Impulse innerhalb einer vorgegebenen Taktperiode liegen.
  5. Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Anzahl der Gruppen 2 ≤ k ≤ n beträgt und
    der Beginn einer Taktperiode für jede Gruppe zeitversetzt um eine Zeitspanne Δt 2 ... Δtk ansteuerbar ist.
  6. Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zeitspanne Δt nach der Formel Δt = Taktperiode k
    Figure imgb0005
     ermittelbar ist.
  7. Schaltungsanordnung (6), zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes (7),
    aufweisend
    - ein Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6,
    - 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 Leuchtdiode (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.
  8. Schaltungsanordnung (6) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Stromquelle (8) durch das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) regelbar ist, so dass der Strom dem Strombedarf der Leuchtdioden (3) entspricht, deren zugeordnete steuerbare Schaltelemente (5) geschlossen sind.
  9. Schaltungsanordnung (6), nach Anspruch 7 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Leuchtdiodenfeld (7) in 2 ≤ k ≤ n Gruppen eingeteilt ist.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (6) mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 9,
    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 gelegt,
    - das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) prüft, welche Impulse eine Pulsbreite <100% haben,
    - Impulse mit Pulsbreiten <100% können zu Summenimpulsen zusammengefasst werden, so lange die Summe der Pulsbreiten <=100% ist,
    - das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) ermittelt den Einschaltzeitpunkt und/oder Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode (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.
  11. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (6) mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 9, insbesondere zur Durchführung vor der Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10,
    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 Impulsbreiten an das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) übergeben,
    - das Steuer- und/oder Regelungsmittel (9) ermittelt die größte Impulsbreite,
    - 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 einer Gruppe werden um den gleichen Faktor vergrößert,
    - der benötigte Strombedarf jedes Impulses wird mit dem Kehrwert des Faktors multipliziert.
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