WO2010015277A1 - Multi-led-leuchtvorrichtung - Google Patents

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WO2010015277A1
WO2010015277A1 PCT/EP2008/060218 EP2008060218W WO2010015277A1 WO 2010015277 A1 WO2010015277 A1 WO 2010015277A1 EP 2008060218 W EP2008060218 W EP 2008060218W WO 2010015277 A1 WO2010015277 A1 WO 2010015277A1
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WO
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led
led light
light sources
group
failure
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PCT/EP2008/060218
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English (en)
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Frederik Hempelmann
Andreas Huber
Ralf Hying
Peter Niedermeier
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Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/10—Controlling the intensity of the light
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/50—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
    • H05B45/52—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits in a parallel array of LEDs

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an LED lighting device with a plurality of LED light sources (multi-LED lighting device) and an LED lighting device with a plurality of LED light sources.
  • Corresponding LED modules can be implemented as a single-chip module (a single, large-area LED chip) or, to increase the production yield, multichip module (several LED chips per module). If a single LED chip now fails, this can lead to overloading and subsequent damage to the remaining LED chips of the module.
  • a failure of at least one of the LED light sources is detected, so that it can be responded to at all.
  • This failure detection is a necessary step in actions that are taken to achieve a lifetime extension compared to a case without failure detection.
  • LED light sources are generally understood any separately precipitable LED units.
  • An LED light source can For example, be a separately mountable or connectable light emitting diode ('LED lamp'), one of several mounted on a common substrate ('submount') LED chips or a light emitting area of a large-area LED chip.
  • the LED light sources have in common that they can fail separately.
  • the z. B. may have an area of 8.5 or 12 mm 2 , a plurality of illuminated areas or lighting areas are usually connected via a plurality of bonding wires and with conductor structures such that you can assume a failure of a light source here as well.
  • the following description refers to light emitting diodes as such for convenience of description only; however, this may also mean luminous regions of a large-area LED chip, unless explicitly stated otherwise.
  • Failure detection is not limited to a specific method.
  • each of the light-emitting diodes can be individually monitored for failure detection, or several LEDs can be monitored together.
  • the nature of the principle underlying the failure detection is not limited and may, for example, sense the electrical resistance of one or more light emitting diodes and employ a change in a resistance value for failure detection, e.g. B., when the resistance to a setpoint by more than a predetermined threshold increases or decreases. Also may be performed with a light intensity sensor failure detection, z. B. by means of a determination of a deviation of an actual light intensity of a target light intensity, optionally in response to an introduced Feisungs- ström.
  • a failure of an LED can be detected by a sudden increase in current as the system attempts to raise the luminous flux back to the nominal level. This also applies to the case of a large-area LED chip in the event of failure of a (partial) luminous area.
  • the light-emitting diodes have at least one group of light-emitting diodes connected in parallel, which are supplied in particular by means of a common driver with an electric current, wherein a failure of at least one of the light-emitting diodes of such a group due to an increase in a detected at the associated light-emitting diode forward voltage is detected.
  • a failure detection is made possible by means of a particularly easy-to-measure and well-defined measurement variable, which also results in a significant change in value in the event of failure of a light emitting diode. It is assumed that a light-emitting diode in the event of a failure conducts no or considerably less current than in the normal state.
  • the driver will send a substantially constant current through the LED group and, consequently, the flux voltage produced at the non-failed LEDs will increase. This also applies to the case of a large-area LED chip, in which a higher current density in the remaining area occurs when one luminous area fails and the flux voltage thus rises.
  • a method is preferred in which a failure of at least one of the LEDs is detected due to an increase in a temperature at the LED lighting device.
  • the effect can be exploited that a heat output by the LEDs increases disproportionately stronger with an increased forward voltage than the number of current paths by the remaining normally operating LEDs decreases.
  • a failure of an LED thus leads to an increase in the heat loss generated by the LEDs.
  • This can be detected by means of a temperature sensor arranged on the lighting device. This is usually already available for normal temperature monitoring, so that such failure monitoring can be achieved without additional equipment.
  • Particularly preferred is an arrangement of the temperature sensors in or near the center of the LEDs in order to detect a temperature increase for all LEDs at least approximately equally good. But it can also be used more temperature sensors. This also applies to the case of a large-area LED chip in which a temperature rise occurs in the event of the failure of a luminous area.
  • a failure detection can output a signal to indicate the failure.
  • the signal can z. B. optically and / or electrically.
  • a possible optical signal may, for example, include a dimming or flashing of the LEDs of the relevant lighting device in order to be able to easily recognize this lighting device and its LED failure during an inspection.
  • An electrical signal may, for example, be routed to an external control center or central unit where the failure is indicated, e.g. B. optically (by a flashing light o. ⁇ .), Acoustically and / or as a message on a screen or other display unit. Then the lighting device z. B. repaired or replaced before it is more or even irreparably damaged.
  • a method is preferred in which, upon detection of the failure of at least one light-emitting diode, a current supply is regulated down at least to the non-failed light-emitting diodes, preferably to a value at which the normal forward voltage is reached. As a result, the luminosity of the LED lighting device is reduced, but avoid overloading the LEDs.
  • a method is particularly preferred in which, upon detection of the failure of at least one light-emitting diode of a group, at least one power supply to the non-failed light-emitting diodes of this group is regulated down. As a result, a failure control can be limited to this group, while other LEDs thereof are operated undisturbed.
  • a method may be preferred in which, upon detection of the failure of at least one light emitting diode of a group at least one power supply to at least one other group, preferably to all other groups, down regulated.
  • a method is preferred in which the power supply to the at least one other group is regulated down so that a luminous intensity of this at least one other group substantially corresponds to a relative luminous intensity of the group with the at least one failed LED , If, for example, the luminous intensity of the LED group affected by the failure is reduced by a factor X, preferably a luminosity of the other groups is likewise reduced by approximately X. This can be done for example by a corresponding power reduction.
  • the light-emitting diodes of a group are the same color.
  • the light-emitting diodes of at least two different groups are of different colors.
  • the shutdown of the power supply may also include a down-regulation to turn off the associated at least one light emitting diode ("emergency").
  • a reaction to the detection of a failure thus comprises switching off some or all of the LEDs of the lighting device, in particular switching off all LEDs of the associated group.
  • the LED lighting device is configured to carry out the above method and has a plurality of light emitting diodes and at least one failure detection logic for detecting a failure of at least one light emitting diode.
  • the LED lighting device preferably has at least one group of light-emitting diodes connected in parallel, which are preferably supplied with an electric current by means of a common driver, and a failure detection logic which is set up to detect a failure of at least one of the light-emitting diodes of such a group. to detect an increase in a voltage applied to the associated light-emitting voltage Uf.
  • the failure detection logic z. B. have a comparator logic.
  • the LED lighting device for detecting an increase in temperature may also be equipped with a temperature sensor and associated evaluation logic which is connected to the failure detection logic or is an integral part of it.
  • the failure detection logic may be connected to a driver directly or indirectly (eg, via a driver control) such that when a failure of at least one light emitting diode is detected, a power supply to at least one of the non-failed light-emitting diodes is turned off, including off becomes.
  • the failure detection logic may also be an integral part of the driver.
  • the structure of the LED lighting device is not limited. Thus, all LEDs can be mounted on a single base (eg board) and powered by a common driver. There are also conceivable separate LEDs as LEDs, which are present on a single substrate. The LEDs can be designed as OLEDs.
  • an LED lighting device which has at least one LED module with a plurality of light-emitting diodes mounted on a common substrate.
  • electrically connected in parallel LEDs of the LED module form a group.
  • all LEDs of the LED module form a single LED group.
  • the LEDs are preferably designed as separate LED chips, in particular as surface-mounted LED chips.
  • the LED lighting device preferably has a plurality of LED modules, each with a plurality of mounted on a common substrate LEDs, in particular separate LED chips, which are each supplied by a common driver with power, the LEDs each LED Modules are electrically connected in parallel and form a group.
  • the drivers can be arranged on the LED module or on another assembly of the LED lighting device, for. B. a board carrying the LED modules.
  • each of the LED modules is equipped with a temperature sensor for sensing a temperature of the module substrate.
  • an LED lighting device which additionally has at least one logic, such as a microprocessor or microcontroller or an analog logic circuit for controlling the at least one driver.
  • at least one logic such as a microprocessor or microcontroller or an analog logic circuit for controlling the at least one driver.
  • a recognition of an output if at least one LED of an LED module towards at least one power supply to the non-failed LEDs of this group, preferably down to the whole LED device is controlled.
  • Such a holistic control of all LEDs of the LED device is particularly advantageous if the light emission of the individual LED modules not only scales with the intensity, so a failure of an LED module 'only' reduces the brightness, but the LED modules, for example in Reference to the light color or the angular distribution are matched.
  • an LED device may comprise in particular a plurality of LED modules, each having LEDs of the same color (eg red, green, blue, yellow, white, etc.), whereby a plurality of modules, in particular for increasing the light intensity, are similarly constructed LED modules, even the same color emitting LEDs may have. If an LED of one of the modules fails, the luminous intensity of the differently colored LED modules can be reduced in one variant so that the luminous color of the LED device remains essentially the same.
  • a luminance reduction can for example be caused by a central processor, which can access corresponding control values by means of a look-up table or a calculation formula.
  • FIG. 1 shows a plan view of a structure of an LED lighting device with three LED modules and a central microcontroller
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the LED module shown in FIG. 1 and
  • FIG. 3 shows a plot of a forward voltage against a supply current for the LED module of FIG. 2 for normal operation and fault operation.
  • the LED modules 3,4,5 are basically equipped with six identical LED chips 6,7,8. More precisely, the LED modules 3,4,5 each have LED chips 6,7,8, which on an associated substrate 9, z. B. from Al, Cu or ähnl. , surface-mounted and have, for example, a luminous area in the order of 2 mm 2 .
  • Such LED chips 6, 7, 8 can be so-called ThinGAlP or ThinGaN chips, depending, inter alia, on the color. These are designed, in particular, as high-performance LED chips 6, 7, 8 with a power of 2 watts or more.
  • the LED chips 6,7,8 differ from each other mainly by their color, d. H. here that the LED chips 6 radiate red, the LED chips 7 radiate green and the LED chips 8 radiate blue.
  • the LED chips 6, 7, 8 of each of the LED modules 3, 4, 5 are electrically connected in parallel and are each fed by a driver 10, which is mounted here on the associated LED module 3, 4, 5.
  • the drivers 10 are connected to a mounted on the board 2 microcontroller 11 via respective control lines 12 to your controller.
  • the microcontroller 11 can thus individually control these by means of the control lines 11 sent to the driver 10 control signals for adjusting the light intensity of the respective LED module 3,4,5.
  • Each of the LED modules 3,4,5 is further equipped with a light sensor 13 and a temperature sensor 14.
  • the light sensor 13 the actual luminous intensity of the module 3,4,5 can be detected and possibly adjusted.
  • the temperature sensor 14 the measuring point (indicated here as a spherical thickening) is arranged as centrally as possible is a temperature of the substrate 9 sensed.
  • an evaluation logic 15 is connected, which converts the sensor signals at least into digital signals (and thus at least one analog / digital converter represents) or preferably converted into relative or absolute temperature data.
  • the drivers 10 regulate the current to the associated LED module 3,4,5 to a target current value, which was assigned to them by the microcontroller 11.
  • the target current value can be determined, for example, on the basis of a desired brightness of the LED lighting device, for. Depending on a degree of dimming, or a desired color.
  • the LED lighting device 1 at least one optics, preferably a primary optics for each of the modules 3,4,5 and at least one common secondary optics, downstream, preferably so that they also for mixing the light beams of the individual LED modules 3,4, 5, serves.
  • the failure of one of the red LEDs 6 (a) reduces the luminosity on this module 3, (b) increases the forward voltage Uf appearing on each of the LEDs 6 by the proportionate higher current and (c) the increased to the substrate 9 derived heat.
  • at least these variables can be used for failure detection. In practice, however, a failure detection by the brightness sensor will be rather expensive, since an associated brightness and / or color control would respond immediately by changing the desired current.
  • the quantities (b) and (c) are thus vorzugt.
  • two measured quantities are available to the LED driver 10 in this exemplary embodiment: the supply or forward voltage Uf of the LEDs 6 and the temperature Tled of the LED module 3, more precisely: the substrate 9 of the LED module 3.
  • the driver 10 constantly measures the characteristic of the forward voltage Uf to the supply current If of the LED module 3. Should an LED chip 6 fail, an increased forward voltage Uf sets in, since the same current If now distributes to fewer LED chips 6 becomes. Especially with high power LEDs 6 Uf grows strongly with If. This sudden increase in voltage, the driver 10 can reliably detect.
  • ADC analogue to digital converter
  • Another primary or supporting criterion may be a sudden increase in the system demanded setpoint current. This occurs when the system, e.g. Without voltage measurement and accurate temperature measurement that measures luminous flux requirements. If a chip 6 fails, a sudden follow-up demand is generated, which is noticeable via the additional current setting.
  • the failure of individual LED chips 6 in a module 3 can be reliably detected.
  • the driver 10 may sequentially limit the maximum LED current If to the affected LED module 3 to avoid excessive aging or even destruction of the remaining LED chips 6.
  • the driver 10 via the possibly existing communication channels 12 inform the LED system to initiate appropriate countermeasures for the entire LED lighting device 1, z. B. by changing the operating current If the other modules 4.5 by means of the central microcontroller 11th
  • Possible applications for the method include projection applications with LEDs, but also all other fields in general lighting and in effect, industrial or medical applications, preferably in applications in which high-power LEDs with appropriately equipped drivers are used.
  • FIG. 2 outlines, by way of example, an equivalent circuit diagram of the LED module 3 shown in FIG. 1.
  • the LEDs 6 are connected in parallel and are supplied with current If by means of a common driver 10, for which purpose a forward voltage Uf is set at the LEDs 6.
  • the driver 10 is externally connected via supply lines 16 to a power source and via the signal line 12 to the microcontroller.
  • FIG. 3 shows a plot of a forward voltage Uf against a supply current If for an LED of the LED module from FIG. 2.
  • the upper and lower lines show the lower or upper limit of the characteristic curves due to customary manufacturing tolerances.
  • the line indicated by “x” indicates the Uf / If characteristic for the case shown up to 3A the average solid line was extrapolated as a characteristic over the entire range of If. If one of the six LEDs fails, a current If increased from 5A to 6A, as indicated by the horizontal arrow, which in each case leads to a voltage jump ⁇ Uf of approx. 0.35 V, occurs at each of the remaining five LEds the vertical arrow indicated.
  • the evaluation logic for the LED module on the LED module may be present, for. B. integrated in the driver, or may be present elsewhere in the LED lighting device, for. B. in the microcontroller.
  • the countermeasures can be initiated and / or controlled at the module level and / or at the lighting device level.

Abstract

Bei dem Verfahren zum Betrieb einer LED-Leuchtvorrichtung mit mehreren LED-Lichtquellen wird ein Ausfall mindestens einer der LED-Lichtquellen erkannt. Die LED-Leuchtvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist mehrere LED-Lichtquellen und mindestens eine Ausfallerkennungslogik zur Erkennung ei- nes Ausfalls mindestens einer LED-Lichtquelle auf.

Description

Beschreibung
MuIti-LED-LeuchtVorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer LED- Leuchtvorrichtung mit mehreren LED-Lichtquellen (Multi-LED- Leuchtvorrichtung) und eine LED-Leuchtvorrichtung mit mehreren LED-Lichtquellen.
Hochleistungs (Hochstrom) -Leuchtdioden benötigen zur Lichtemission immer größere Oberflächen. Entsprechende LED-Module können als Singlechip-Modul (ein einziger, großflächiger LED- Chip) oder, zur Erhöhung der Fertigungsausbeute, Multichip- Modul (mehrere LED-Chips pro Modul) ausgeführt werden. Fällt nun ein einzelner LED-Chip aus, kann dies zu einer Überlastung und folgenden Beschädigung der übrigen LED-Chips des Moduls führen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglich- keit zur Lebensdauerverlängerung eines LED-Leuchtsystems mit mehreren LED-Lichtquellen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung nach dem jeweiligen unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Bei dem Verfahren zum Betrieb einer LED-Leuchtvorrichtung mit mehreren LED-Lichtquellen wird ein Ausfall mindestens einer der LED-Lichtquellen erkannt, so dass darauf überhaupt reagiert werden kann. Diese Ausfallerkennung ist ein notwendiger Schritt bei Maßnahmen, die ergriffen werden, um eine Lebensdauerverlängerung im Vergleich zu einem Fall ohne Ausfallerkennung zu erreichen.
Unter LED-Lichtquellen werden allgemein jegliche separat ausfallbaren LED-Einheiten verstanden. Eine LED-Lichtquelle kann beispielsweise eine einzeln montierbare oder anschließbare Leuchtdiode sein ('LED-Lampe'), ein von mehreren auf einem gemeinsamen Substrat ( ' Submount ' ) montierten LED-Chips oder auch ein Leuchtbereich eines großflächigen LED-Chips sein. Den LED-Lichtquellen ist gemeinsam, dass sie separat ausfallen können. Im Fall eines großflächigen LED-Chips, der z. B. eine Fläche von 8,5 oder 12 mm2 aufweisen kann, werden mehrere Leuchtflächen oder Leuchtbereiche meist über mehrere Bonddrähte und mit Leiterstrukturen derart verschaltet, dass man auch hier von einem Ausfall einer Lichtquelle ausgehen kann. Die folgende Beschreibung bezieht sich lediglich zur einfacheren Beschreibung auf Leuchtdioden als solche; jedoch können damit auch Leuchtbereiche eines großflächigen LED-Chips gemeint sein, soweit nicht ausdrücklich anders ausgeführt.
Die Ausfallerkennung ist nicht auf eine bestimmte Methode beschränkt. So kann grundsätzlich jede der Leuchtdioden einzeln auf Ausfallerkennung überwacht werden, oder es können mehrere LEDs zusammen überwacht werden. Auch ist die Art des der Aus- fallkennung zugrunde liegenden Prinzips nicht beschränkt und kann beispielsweise des elektrischen Widerstandswert an einer oder mehreren Leuchtdioden abfühlen und eine Änderung eines Widerstandswerts zur Ausfallerkennung einsetzen, z. B., wenn sich der Widerstand gegenüber einem Sollwert um mehr als ei- nen vorbestimmten Schwellwert erhöht oder erniedrigt. Auch mag mit einem Lichtstärkesensor eine Ausfallerkennung durchgeführt werden, z. B. mittels einer Bestimmung einer Abweichung einer Ist-Lichtstärke von einer Soll-Lichtstärke, gegebenenfalls in Abhängigkeit von einem eingebrachten Speisungs- ström. Auch kann beispielsweise bei Regelung der Stromzufuhr zu den LEDs lediglich über eine Einstellung eines Soll- Lichtstroms (z. B. durch Messung mittels eines Lichtsensors) ein Ausfall einer LED dadurch detektiert werden, dass dann ein plötzlicher Stromanstieg auftritt, da das System ver- sucht, den Lichtstrom wieder auf die Sollstärke hochzuregeln. Dies gilt auch für den Fall eines großflächigen LED-Chips bei Ausfall einer (Teil-) Leuchtfläche . Es wird jedoch ein Verfahren bevorzugt, bei dem die Leuchtdioden mindestens eine Gruppe von elektrisch parallel geschalteten Leuchtdioden aufweisen, welche insbesondere mittels ei- nes gemeinsamen Treibers mit einem elektrischen Strom gespeist werden, wobei ein Ausfall mindestens einer der Leuchtdioden einer solchen Gruppe aufgrund einer Erhöhung einer an den zugehörigen Leuchtdioden angliegenden Flussspannung erkannt wird. Dadurch wird eine Ausfallerkennung mittels einer besonders einfach abfühlbaren und gut definierten Messgröße ermöglicht, die zudem eine deutliche Werteänderung im Fall eines Ausfalls einer Leuchtdiode ergibt. Dabei wird davon ausgegangen, dass eine Leuchtdiode bei einem Ausfall keinen oder erheblich weniger Strom leitet als im normalen Zustand. Der Treiber wird jedoch einen im Wesentlichen konstanten Strom durch die LED-Gruppe schicken und folglich erhöht sich die an den nicht-ausgefallenen LEDs entstehende Flussspannung. Dies gilt auch für den Fall eines großflächigen LED- Chips, bei dem sich bei Ausfall einer Leuchtfläche eine höhe- re Stromdichte in der verbleibenden Fläche einstellt und damit die Flußspannung ansteigt.
Zusätzlich oder alternativ wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem ein Ausfall mindestens einer der Leuchtdioden aufgrund einer Erhöhung einer Temperatur an der LED-Leuchtvorrichtung erkannt wird. Dabei kann insbesondere bei einer Parallelschaltung gemeinsam stromgespeister LEDs der Effekt ausgenutzt werden, dass eine Wärmeabgabe durch die LEDs bei einer erhöhten Flussspannung überproportional stärker wächst als die Zahl der Strompfade durch die verbleibenden normal arbeitenden LEDs abnimmt. Ein Ausfall einer LED führt somit zu einer Erhöhung der durch die LEDs erzeugten Verlustwärme. Diese kann mittels eines an der Leuchtvorrichtung angeordneten Temperatursensors erfasst werden. Dieser ist meist zur normalen Temperaturüberwachung schon vorhanden, so dass sich eine solche Ausfallüberwachung ohne apparativen Mehraufwand erreichen lässt. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung des Temperatur- sensors in oder in der Nähe des Zentrums der LEDs, um eine Temperaturerhöhung für alle LEDs zumindest annähernd gleich gut erkennen zu können. Es können aber auch mehrere Temperatursensoren verwendet werden. Dies gilt auch für den Fall ei- nes großflächigen LED-Chips, bei dem sich bei Ausfall einer Leuchtfläche ein Temperaturanstieg einstellt.
Auf eine Ausfallerkennung hin kann eine bestimmte Maßnahme eingeleitet werden. Als einfachste Maßnahme kann eine Aus- fallerkennung ein Signal zur Anzeige des Ausfalls ausgeben. Das Signal kann z. B. optisch und / oder elektrisch sein. Ein mögliches optisches Signal kann beispielsweise ein Dimmen o- der Blinken der LEDs der betroffenen Leuchtvorrichtung beinhalten, um diese Leuchtvorrichtung und ihren LED-Ausfall bei einer Inspektion einfach erkennen zu können. Ein elektrisches Signal kann beispielsweise zu einer externen Leitstelle oder Zentraleinheit geleitet werden, wo der Ausfall angezeigt wird, z. B. optisch (durch ein Blinklicht o. ä.), akustisch und / oder als Nachricht auf einem Bildschirm oder einer an- deren Anzeigeeinheit. Dann kann die Leuchtvorrichtung z. B. repariert oder ausgetauscht werden, bevor sie stärker oder sogar irreparabel beschädigt wird.
Es wird jedoch bevorzugt, wenn auf die Ausfallerkennung hin selbstständig Maßnahmen von der LED-Leuchtvorrichtung ergriffen werden, da so weitere Schäden durch eine kurze Reaktionszeit besonders wirkungsvoll vermieden werden können.
Es wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem auf ein Erkennen des Ausfalls mindestens einer Leuchtdiode hin eine Stromzufuhr zumindest zu den nicht ausgefallenen Leuchtdioden heruntergeregelt wird, vorzugsweise auf einen Wert, bei dem die normale Flussspannung erreicht wird. Dadurch wird die Leuchtstärke der LED-Leuchtvorrichtung verringert, aber eine Überlastung der LEDs vermieden. Diesbezüglich wird ein Verfahren besonders bevorzugt, bei dem auf ein Erkennen des Ausfalls mindestens einer Leuchtdiode einer Gruppe hin zumindest eine Stromzufuhr zu den nicht ausgefallenen Leuchtdioden dieser Gruppe heruntergeregelt wird. Dadurch kann eine Ausfallsteuerung auf diese Gruppe beschränkt werden, während weitere LEDs davon unbeeinträchtigt betreibbar sind.
Insbesondere, falls mehrere Gruppen vorhanden sind, deren Leuchtstärke in Kombination eine Abstrahlcharakteristik der Leuchtvorrichtung bestimmen, z. B. eine Farbmischung bei Gruppen mit jeweils unterschiedlichen Farben, kann ein Verfahren bevorzugt sein, bei dem auf ein Erkennen des Ausfalls mindestens einer Leuchtdiode einer Gruppe hin zumindest eine Stromzufuhr zu mindestens einer anderen Gruppe, vorzugsweise zu allen anderen Gruppen, heruntergeregelt wird.
Insbesondere zur zumindest näherungsweisen Beibehaltung einer Leuchtfarbe wird eine Verfahren bevorzugt, bei dem die Strom- zufuhr zu der mindestens einen anderen Gruppe so heruntergeregelt wird, dass eine Leuchtstärke dieser mindestens einen anderen Gruppe im Wesentlichen einer relativen Leuchtstärke der Gruppe mit der mindestens einen ausgefallenen Leuchtdiode entspricht. Wird beispielsweise die Leuchtstärke der vom Aus- fall betroffenen LED-Gruppe um einen Faktor X gesenkt, so wird bevorzugt eine Leuchtstärke der anderen Gruppen ebenfalls um ungefähr X gesenkt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Stromverringerung erfolgen.
Zur einfachen Ansteuerung wird es bevorzugt, wenn die Leuchtdioden einer Gruppe gleichfarbig sind.
Zur einfachen Ausfallregelung bei verschiedenfarbigen LEDs wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem die Leuchtdioden zumin- dest zweier unterschiedlicher Gruppen verschiedenfarbig sind. Das Herunterregeln der Stromzufuhr kann auch ein Herunterregeln bis zum Ausschalten der zugehörigen mindestens einen Leuchtdiode umfassen ("Notaus") . Im einfachsten Fall umfasst somit eine Reaktion auf die Erkennung eines Ausfalls ein Aus- schalten einiger oder sämtlicher LEDs der Leuchtvorrichtung, insbesondere ein Ausschalten sämtlicher LEDs der zugehörigen Gruppe .
Die LED-Leuchtvorrichtung ist zur Durchführung des obigen Verfahrens eingerichtet und weist mehrere Leuchtdioden und mindestens eine Ausfallerkennungslogik zur Erkennung eines Ausfalls mindestens einer Leuchtdiode auf.
So weist die LED-Leuchtvorrichtung vorzugsweise mindestens eine Gruppe von elektrisch parallel geschalteten Leuchtdioden auf, welche vorzugsweise mittels eines gemeinsamen Treibers mit einem elektrischen Strom gespeist werden, und einer Ausfallerkennungslogik, die dazu eingerichtet ist, einen Ausfall mindestens einer der Leuchtdioden einer solchen Gruppe auf- grund einer Erhöhung einer an den zugehörigen Leuchtdioden anliegenden Flussspannung Uf zu erkennen. Dazu kann die Ausfallerkennungslogik z. B. eine Komparatorlogik aufweisen.
Auch kann die LED-Leuchtvorrichtung zur Erkennung einer Erhö- hung einer Temperatur mit einem Temperatursensor und einer zugehörigen Auswertelogik ausgerüstet sein, die mit der Ausfallerkennungslogik verbunden oder ein integraler Teil von ihr ist.
Die Ausfallerkennungslogik kann mit einem Treiber direkt oder indirekt (z. B. über eine Treibersteuerung) so verbunden sein, dass bei dem auf ein Erkennen des Ausfalls mindestens einer Leuchtdiode hin eine Stromzufuhr zumindest zu einer der nicht ausgefallenen Leuchtdioden heruntergeregelt wird, ein- schließlich ausgeschaltet wird. Die Ausfallerkennungslogik kann auch ein integraler Bestandteil des Treibers sein. Der Aufbau der LED-Leuchtvorrichtung ist nicht beschränkt. So können alle LEDs auf einer einzigen Unterlage (z. B. Platine) montiert und mittels eines gemeinsamen Treibers mit Strom versorgt werden. Es sind als LEDs auch separate Leuchtflächen denkbar, die auf einem einzigen Substrat vorhanden sind. Die LEDs können als OLEDs ausgebildet sein.
Es wird jedoch eine LED-Leuchtvorrichtung bevorzugt, welche mindestens ein LED-Modul mit mehreren auf einem gemeinsamen Substrat montierten Leuchtdioden aufweist. Vorzugsweise bilden elektrisch parallel geschaltete Leuchtdioden des LED- Moduls eine Gruppe. Vorzugsweise bilden sämtliche LEDs des LED-Moduls eine einzige LED-Gruppe. Vorzugsweise sind die LEDs als separate LED-Chips ausgebildet, insbesondere als o- berflächenmontierte LED-Chips.
Zur individuellen Ansteuerung und flexiblen Auslegung weist die LED-Leuchtvorrichtung vorzugsweise mehrere LED-Module mit jeweils mehreren auf einem gemeinsamen Substrat montierten Leuchtdioden, insbesondere separaten LED-Chips, auf, die jeweils mittels eines gemeinsamen Treibers mit Strom versorgbar sind, wobei die Leuchtdioden jedes LED-Moduls elektrisch parallel geschaltet sind und eine Gruppe bilden. Die Treiber können auf dem LED-Modul angeordnet sein oder auf einer ande- ren Baugruppe der LED-Leuchtvorrichtung, z. B. einer die LED- Module tragenden Platine.
In diesem Fall wird es für eine Temperaturabfühlung bevorzugt, wenn jedes der LED-Module mit einem Temperatursensor zur Abfühlung einer Temperatur des Modulsubstrats ausgerüstet ist .
Es wird ferner eine LED-Leuchtvorrichtung bevorzugt, die zusätzlich mindestens eine Logik, wie einen Mikroprozessor oder MikroController oder auch eine analoge Logikschaltung, zur Ansteuerung des mindestens einen Treibers aufweist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn auf ein Erkennen eines Aus- falls mindestens einer Leuchtdiode eines LED-Moduls hin zumindest eine Stromzufuhr zu den nicht ausgefallenen Leuchtdioden dieser Gruppe, bevorzugt zu der ganzen LED-Vorrichtung, heruntergeregelt wird. Eine solche ganzheitliche Regelung sämtlicher LEDs der LED-Vorrichtung ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Lichtabstrahlung der einzelnen LED-Module nicht nur mit der Intensität skaliert, ein Ausfall eines LED- Moduls also 'nur' die Helligkeit vermindert, sondern die LED- Module beispielsweise in Bezug auf die Lichtfarbe oder die Winkelverteilung aufeinander abgestimmt sind. So kann eine LED-Vorrichtung insbesondere mehrere LED-Module umfassen, die jeweils gleichfarbig strahlende LEDs aufweisen (z. B. rot, grün, blau, gelb, weiß usw.), wobei auch mehrere Module, insbesondere zur Lichtstärkeskalierung durch gleichartig aufge- baute LED-Module, auch gleichfarbig strahlende LEDs aufweisen können. Fällt eine LED eines der Module aus, so kann in einer Variante die Leuchtstärke der andersfarbig leuchtenden LED- Module so reduziert werden, die Leuchtfarbe der LED- Vorrichtung im Wesentlichen gleich bleibt. Eine solche Leuchtstärkenreduzierung kann beispielsweise durch einen zentralen Prozessor veranlasst werden, der auf entsprechende Regelungswerte mittels einer Nachschlagetabelle oder einer Berechnungsformel zugreifen kann.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
FIG 1 skizziert in Aufsicht einen Aufbau einer LED- Leuchtvorrichtung mit drei LED-Modulen und einem zentralen MikroController;
FIG 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des in FIG 1 gezeigten LED-Moduls und FIG 3 zeigt eine Auftragung einer Flussspannung gegen einen Versorgungsstrom für das LED-Modul aus FIG 2 für einen Normalbetrieb und einen Fehlerbetrieb.
FIG 1 zeigt eine LED-Leuchtvorrichtung 1, bei der auf einer Platine 2 drei LED-Module 3,4,5 montiert sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die LED-Module 3,4,5 grundsätzlich mit jeweils sechs gleichartigen LED-Chips 6,7,8 bestückt. Genauer gesagt, weisen die LED-Module 3,4,5 jeweils LED-Chips 6,7,8 auf, die auf einem zugehörigen Substrat 9, z. B. aus Al, Cu oder ähnl . , oberflächenmontiert sind und beispielsweise eine Leuchtfläche in der Größenordnung von 2 mm2 aufweisen. Solche LED-Chips 6,7,8 können, abhängig unter anderem von der Farbe, sog. ThinGAlP- oder ThinGaN-Chips sein. Diese sind insbeson- dere als Hochleistungs-LED-Chips 6,7,8 ausgestaltet mit einer Leistung von 2 Watt oder mehr.
Die LED-Chips 6,7,8 unterscheiden sich voneinander vor allem durch ihre Farbe, d. h. hier, dass die LED-Chips 6 rot strah- len, die LED-Chips 7 grün strahlen und die LED-Chips 8 blau strahlen. Die LED-Chips 6,7,8 jedes der LED-Module 3,4,5 sind elektrisch parallel geschaltet und werden jeweils von einem Treiber 10 gespeist, der hier auf dem zugehörigen LED-Modul 3,4,5 montiert ist. Die Treiber 10 sind mit einem auf der Platine 2 montierten Microcontroller 11 über jeweilige Steuerleitungen 12 zu Ihrer Steuerung verbunden. Der Microcontroller 11 kann also mittels über die Steuerleitungen 11 an die Treiber 10 gesandter Steuersignale diese zur Einstellung der Lichtstärke des jeweiligen LED-Moduls 3,4,5 indivi- duell steuern.
Jedes der LED-Module 3,4,5 ist ferner mit einem Lichtsensor 13 und einem Temperaturfühler 14 ausgerüstet. Mittels des Lichtsensors 13 kann die tatsächliche Leuchtstärke des Moduls 3,4,5 erfasst und ggf. eingeregelt werden. Mittels des Temperaturfühlers 14, dessen Messpunkt (hier als kugelförmige Verdickung angedeutet) möglichst zentral angeordnet ist, wird eine Temperatur des Substrats 9 abgefühlt. Zur Vermeidung von Signalstörungen ist mit dem Temperaturfühler 14 eine Auswertelogik 15 verbunden, welche die Sensorsignale zumindest in digitale Signale umwandelt (und also mindestens einen Ana- log/Digital-Wandler darstellt) oder vorzugsweise in relative oder absolute Temperaturdaten umrechnet.
Im Normalbetrieb (also ohne Fehlerfall) regeln die Treiber 10 den Strom zu dem ihnen zugehörigem LED-Modul 3,4,5 auf einen Sollstromwert, welcher ihnen von dem Microcontroller 11 zugewiesen wurde. Der Sollstromwert kann beispielsweise auf der Grundlage einer gewünschten Helligkeit der LED-Leuchtvorrichtung, z. B. abhängig von einem Dimmungsgrad, oder einer gewünschten Farbe festgelegt werden. Typischerweise ist der LED-Leuchtvorrichtung 1 mindestens eine Optik, vorzugsweise eine Primäroptik für jedes der Module 3,4,5 und mindestens eine gemeinsame Sekundäroptik, nachgeschaltet, vorzugsweise so, dass sie auch zur Mischung der Lichtstrahlen der einzelnen LED-Module 3,4,5, dient.
Der Fehlerbetrieb wird nun anhand eines beispielhaften Ausfalls einer rot strahlenden LED 6 des LED-Moduls 3 beschrieben, so dass diese keinen Strom mehr leitet.
Im Fehlerfall wird durch den Ausfall einer der roten LEDs 6: (a) die Leuchtstärke an diesem Modul 3 vermindert, (b) die Flussspannung Uf, die sich an jeder der LEDs 6 einstellt, durch den anteiligen höheren Strom erhöht und (c) die an das Substrat 9 abgeleitete Wärme erhöht. Grundsätzlich können zu- mindest diese Größen zur Ausfallerkennung herangezogen werden. In der Praxis wird jedoch eine Ausfallerkennung durch den Helligkeitssensor eher aufwendig sein, da eine zugehörige Helligkeits- und / oder Farbregelung umgehend durch eine Änderung des Sollstroms reagieren würde.
Um den Ausfall von Einzel-LEDs 6 des Multichip-Moduls 3 de- tektieren zu können, werden somit die Größen (b) und (c) be- vorzugt. Dazu stehen in diesem Ausführungsbeispiel dem LED- Treiber 10 zwei Messgrößen zur Verfügung: die Versorgungsoder Flussspannung Uf der LEDs 6 und die Temperatur Tled des LED-Moduls 3, genauer: des Substrat 9 des LED-Moduls 3.
Der Treiber 10 misst ständig die Kennlinie von Flussspannung Uf zu Speisungsstrom If des LED Moduls 3. Sollte nun ein LED- Chip 6 ausfallen, stellt sich eine erhöhte Flussspannung Uf ein, da der gleiche Strom If nun auf weniger LED-Chips 6 ver- teilt wird. Insbesondere bei Hochleistungs-LEDs 6 wächst Uf stark mit If. Diesen plötzlichen Spannungsanstieg kann der Treiber 10 zuverlässig detektieren.
In einem exemplarischen Normalbetrieb liegt an sechs LED- Chips 6, durch die jeweils ein Strom von 5 A fließt, jeweils eine Flussspannung Uf von 4,45 V an. Insgesamt wird vom Treiber 10 somit ein Gesamtstrom von 6*5 A = 30 A eingespeist. Im Fehlerfall versucht der Treiber 10, den gleichen Gesamtstrom von 30 A durch die fünf verbliebenen LED-Chips 6 zu leiten, also 6 A pro LED-Chip 6. Dazu stellt der Treiber 10 dann eine Flussspannung Uf = 4,8V zur Verfügung , was einem Spannungssprung ΔUf von 0,35 V entspricht. Dieser Spannungssprung entsteht instantan und kann einfach mit einem Analog/Digital- Wandler (ADC) gemessen werden.
In diesem Beispiel lediglich unterstützend wird eine Messung der Temperatur Tled mittels des Temperatursensors 14 hinzugezogen, da in einem solchen Fehlerfall auch die Verlustleistung und damit die Temperatur Tled auf dem Modul 3 ansteigt. Dies wird dadurch verursacht, dass sich bei gleichem Strom durch 5 Chips die Flußspannung erhöht und sich damit die Verlustleistung im hier gezeigten Beispiel um 0,35V • 30A = 10,5 W erhöht.
Ein weiteres primäres oder unterstützendes Kriterium kann ein sprunghafter Anstieg des vom System geforderten Sollstroms sein. Dies tritt ein, wenn das System, z. B. ohne Spannungs- messung und genauer Temperaturmessung, den Lichtstrombedarf misst. Beim Ausfall eines Chips 6 wird ein plötzlicher Nach- regelbedarf erzeugt, der über die zusätzliche Stromeinstellung bemerkbar ist.
Durch das Verfahren kann der Ausfall einzelner LED-Chips 6 in einem Modul 3 zuverlässig erkannt werden. Der Treiber 10 kann in Folge den maximalen LED-Strom If zu dem betroffenen LED- Modul 3 begrenzen, um eine übermäßige Alterung oder gar Zer- Störung der verbliebenen LED-Chips 6 zu vermeiden. Außerdem kann der Treiber 10 über die ggf. vorhandenen Kommunikationskanäle 12 das LED-System informieren, um entsprechende Gegenmaßnahmen für die gesamte LED-Leuchtvorrichtung 1 einzuleiten, z. B. unter Änderung des Betriebsstroms If der anderen Module 4,5 mittels des zentralen MikroControllers 11.
Einsatzmöglichkeiten für das Verfahren umfassen Projektionsanwendungen mit LEDs, aber auch alle anderen Felder in der Allgemeinbeleuchtung und in Effekt-, Industrie- oder Medizin- anwendungen, vorzugsweise in Anwendungen, in denen Hochleistungs-LEDs mit entsprechend ausgestatteten Treibern zum Einsatz kommen.
FIG 2 skizziert in Aufsicht beispielhaft ein Ersatzschaltbild des der in FIG 1 gezeigten LED-Modul 3. Die LEDs 6 sind parallel verschaltet und werden mittels eines gemeinsamen Treibers 10 mit Strom If versorgt, wozu sich an den LEDs 6 eine Flussspannung Uf einstellt. Der Treiber 10 ist extern über Versorgungsleitungen 16 mit einer Stromquelle und über die Signalleitung 12 mit dem MikroController verbunden.
FIG 3 zeigt eine Auftragung einer Flussspannung Uf gegen einen Versorgungsstrom If für eine LED des LED-Moduls aus FIG 2. Die obere und die untere Linie zeigen die untere bzw. obe- re Grenze der Kennlinien aufgrund üblicher Fertigungstoleranzen. Die mit durch "x" gekennzeichnete Linie zeigt die Uf/If- Kennlinie für den gezeigten, bis 3A ausgemessenen Fall, aus der die mittlere durchgehende Linie als Kennlinie über den gesamten Bereich von If extrapoliert wurde. Bei einem Ausfall einer der sechs LEDs ergibt sich an jeder der übrigen fünf LEds ein von 5A auf 6A erhöhter Strom If, wie durch den waa- gerechten Pfeil angedeutet, der jeweils zu einem Spannungssprung ΔUf von ca. 0,35 V führt, wie durch den vertikalen Pfeil angedeutet.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So braucht kein Helligkeitssensor vorhanden zu sein.
Auch kann die Auswertelogik für das LED-Modul auf dem LED- Modul vorhanden sein, z. B. im Treiber integriert, oder kann woanders in der LED-Leuchtvorrichtung vorhanden sein, z. B. im MikroController. Die Gegenmahnahmen können auf der Modulebene und / oder auf der Leuchtvorrichtungsebene initiiert und / oder gesteuert werden.
Bezugs zeichenliste
1 LED-Leuchtvorrichtung
2 Platine 3 LED-Modul
4 LED-Modul
5 LED-Modul
6 LED-Chip
7 LED-Chip 8 LED-Chip
9 Substrat
10 Treiber
11 Microcontroller
12 Steuerleitung 13 Lichtsensor
14 Temperaturfühler
15 Auswertelogik
16 Versorgungsleitung If Speisungsstrom Vf Flussspannung
Tled Temperatur eines LED-Moduls

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer LED-Leuchtvorrichtung (1) mit mehreren LED-Lichtquellen (6,7,8), bei dem ein Ausfall mindestens einer der LED-Lichtquellen (6,7,8) erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die LED-Lichtquellen (6,7,8) mindestens eine Gruppe von elektrisch parallel geschalteten LED-Lichtquellen (6,7,8) aufweisen, welche mittels eines gemeinsamen Treibers (10) mit einem elektrischen Strom
(If) gespeist werden, wobei ein Ausfall mindestens einer der
LED-Lichtquellen (6,7,8) einer solchen Gruppe aufgrund einer
Änderung, insbesondere Erhöhung, einer an den zugehörigen
LED-Lichtquellen anliegenden Flussspannung (Uf) erkannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Ausfall mindestens einer der LED-Lichtquellen (6,7,8) aufgrund einer Erhöhung einer Temperatur (Tled) an der LED-Leuchtvorrichtung
(1) erkannt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf ein Erkennen des Ausfalls mindestens einer LED- Lichtquelle (6,7,8) hin eine Stromzufuhr (If) zumindest zu einer der nicht ausgefallenen LED-Lichtquellen (6,7,8) herun- tergeregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem auf ein Erkennen des Ausfalls mindestens einer LED-Lichtquelle (6,7,8) einer Gruppe hin zumindest eine Stromzufuhr (If) zu den nicht ausgefal- lenen LED-Lichtquellen (6,7,8) dieser Gruppe heruntergeregelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem auf ein Erkennen des Ausfalls mindestens einer LED-Lichtquelle (6,7,8) einer Grup- pe hin zumindest eine Stromzufuhr (If) zu mindestens einer anderen Gruppe heruntergeregelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Stromzufuhr (If) zu der mindestens einen anderen Gruppe so heruntergeregelt wird, dass eine Leuchtstärke der anderen Gruppe im Wesentlichen einer Leuchtstärke der Gruppe mit der mindestens einen ausgefallenen LED-Lichtquelle (6,7,8) entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die LED-Lichtquellen (6,7,8) einer Gruppe gleichfarbig sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die LED-Lichtquellen (6,7,8) zumindest zweier unterschiedlicher Gruppen verschiedenfarbig sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem ein Herunterregeln der Stromzufuhr (If) ein Herunterregeln bis zum Ausschalten der zugehörigen mindestens einen LED- Lichtquelle (6,7,8) umfasst.
11. LED-Leuchtvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfah- rens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mehrere LED-Lichtquellen (6,7,8) und mindestens eine Ausfallerkennungslogik (10) zur Erkennung eines Ausfalls mindestens einer LED-Lichtquelle (6,7,8) .
12. LED-Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 11, aufweisend mindestens ein LED-Modul mit mehreren auf einem gemeinsamen Substrat montierten LED-Lichtquellen, insbesondere separaten LED-Chips, wobei elektrisch parallel geschaltete LED- Lichtquellen des LED-Moduls eine Gruppe bilden.
13. LED-Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 11, aufweisend mehrere LED-Module mit jeweils mehreren auf einem gemeinsamen Substrat (9) montierten LED-Lichtquellen (6,7,8), insbesondere separaten LED-Chips (6,7,8), die jeweils mittels eines ge- meinsamen Treibers (10) mit Strom (If) versorgbar sind, wobei die LED-Lichtquellen (6,7,8) jedes LED-Moduls (3,4,5) elektrisch parallel geschaltet sind und eine Gruppe bilden.
14. LED-Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, bei der jedes der LED-Module (3,4,5) mit einem Temperatursensor
(14) zur Abfühlung einer Temperatur (Tled) des Substrats (9) ausgerüstet ist.
15. LED-Leuchtvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner aufweisend einen Prozessor (11) zur Ansteuerung des mindestens einen Treibers (10) .
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