WO2017021041A1 - Spannungsabhängige verschaltung einzelner lichtquellen - Google Patents

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WO2017021041A1
WO2017021041A1 PCT/EP2016/063681 EP2016063681W WO2017021041A1 WO 2017021041 A1 WO2017021041 A1 WO 2017021041A1 EP 2016063681 W EP2016063681 W EP 2016063681W WO 2017021041 A1 WO2017021041 A1 WO 2017021041A1
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the present invention relates to a method for
  • the present invention relates to a lighting device having a plurality
  • Lighting devices for motor vehicles usually have LEDs or laser diodes and current drivers. There are various possibilities for implementing such
  • Lighting equipment On the one hand, a discrete construction of diodes and driver components in one or more subassemblies and, on the other hand, also fully integrated circuits can be selected. In addition, too
  • Drivers of lighting equipment in the automotive sector must be able to operate on electrical systems of motor vehicles. These typically vary between 9 and 16 V. Depending on the active consumers in each case, the battery or vehicle electrical system voltage can break more or less far. Particularly striking are the vehicle electrical system voltage, for example, when the ignition or the starter. In any case, the output of the driver must be supplied with a constant or controlled current depending on the input variables.
  • switched DC / DC converters are available as drivers. These are usually relatively complex and have a housing and a corresponding wiring, which can be relatively space-consuming. Due to the clocked operation, an additional EMC protection is necessary, which additionally increases the driver costs. you
  • Losses are usually low. For example, they are 10% of the output power.
  • linear regulators or so-called resistance regulators are often used today as a more cost-effective solution with lower requirements. They cause
  • the document DE 10 2013 201 766 AI discloses a
  • Lighting device with a plurality of semiconductor light sources and a device for operating the
  • the device has switching means by which the semiconductor light sources can be divided in groups for operation with the device. In particular, the division takes place depending on the
  • the object of the present invention is to be able to operate a lighting device with a plurality of light sources as low-loss as possible on a resistance or linear regulator.
  • this object is achieved by a method for operating a lighting device which has a plurality of light sources
  • the invention provides a
  • a switching device for switching the light sources into one or more parallel strands, wherein the
  • Light sources in each strand are each connected in series, depending on the determined measure of
  • control device for automatically determining a number of light sources in at least one of the strands, the number corresponding to the largest integer multiplied by a predeterminable forward voltage of each of the light sources smaller than the determined measure of
  • At least one of the strands is configured such that the number of its light sources corresponds to the largest integer value smaller than e.g. of the
  • Supply voltage and the predetermined forward voltage of a light source is.
  • the determination of this number of light sources can be purely mathematical or on the basis of measurements during operation or during an initial calibration.
  • the forward voltage of the entire strand is equal to or slightly below the
  • the determination of a measure of the supply voltage may be a measurement of the supply voltage.
  • a measure or representative of the supply voltage can also be represented, for example, by a state of a circuit.
  • a circuit with voltage reference (s) for example by means of Zener diodes or other diodes, can be used, which occupies certain switching states as a function of the supply voltage, which can be used as a control variable.
  • the supply voltage which can be used as a control variable.
  • Supply voltage can not be measured explicitly.
  • the forward voltage of the individual light sources or several of them can be predetermined or measured. For example, it may be fixed in advance for a particular operating point to simplify the automatic determination of the number of light sources in a string. Another optimization in terms of loss reduction can
  • all parallel strands have the same number of light sources in series. This makes it possible for a single driver to be used for all strands.
  • Light sources are then detected in at least one of the strands such that the minimum number corresponds to the largest integer multiplied by the predeterminable flux voltage of each of the light sources smaller than that
  • a maximum number of light sources in at least one of the strands is determined such that the maximum number corresponds to the largest integer multiplied by the predeterminable one Forward voltage of each of the light sources smaller than that
  • Light sources selected an integer between the minimum number and the maximum number.
  • the total number of light sources of the illumination device corresponds to the quotient of the faculty (maximum number) and the faculty
  • the minimum difference between the forward voltage of an entire string and the supply voltage allows the use of linear drivers and resistive drivers, since the losses are minimized.
  • the lighting device can be a single linear driver or resistance driver for electrical
  • the lighting device for each strand may have a separate linear driver or resistance driver for the electrical supply of the light sources. In this way, it is also possible to any number
  • the light sources are light-emitting diodes, laser diodes or modules thereof.
  • Under a Module is understood here to be a fixed assembly with one or more light-emitting diodes or laser diodes.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of an inventive
  • FIG. 2 is a flow chart of a device according to the invention
  • Motor vehicle can be realized in this way.
  • the LEDs stand for all possible light sources, in particular for semiconductor light sources.
  • the reference to a motor vehicle is purely exemplary and the invention can also serve for other purposes.
  • a linear or resistive driver for the illumination device.
  • These have a relatively simple structure, namely possibly only a resistor in series with the load or the light sources in the case of a resistance driver.
  • the resistor may be temperature dependent (e.g., PTC or NTC).
  • Illuminating means a matrix of light sources or LEDs LH, L12, L13, ..., L18; L21, L22, L23, L28; L31, L32,
  • the matrix 1 of the LEDs is connected by a switching device 2. This is able to connect several of the LEDs into a string in series.
  • More of the LEDs are interconnected in groups to a second, third strand etc.
  • six strings each having four LEDs are formed.
  • the LEDs LH to L14 form a strand
  • LEDs L15 to L18 form a second strand
  • LEDs L21 to L24 in a third strand
  • LEds L25 to L28 in a fourth strand
  • LEDs L31 to L34 in a fifth strand
  • LEDs L35 in a sixth strand to L38.
  • other groups of four LEDs can be formed.
  • the LEDs LH, L21, L31 and L32 to a strand or
  • the other LEDs can be connected to a group.
  • the other LEDs can be connected to a group.
  • the other LEDs can be connected to a group.
  • the other LEDs can be connected to a group.
  • strings with three LEDs, two LEDs, six LEDs, eight LEDs, etc. can also be formed.
  • even a single strand is formed with 24 LEDs or 24 "strands" are formed with one LED each
  • the following groupings are possible (number of strands x number of LEDs):
  • any number can be selected for the number of LEDs.
  • strands can be formed with 1, 2, 3, and 4 LEDs, whereby all LEDs are always used and all strands are of equal length.
  • the forward or forward voltage of each LED, laser diode or other light source in the illumination device can be limited by their specification or known range of values to a range U_LED_min to U_LED_max.
  • the vehicle electrical system voltage or supply voltage is in a range U_BORD_min to U_BORD_max. Due to the often strong fluctuations, the vehicle electrical system voltage should currently be measured.
  • the concrete number of LEDs connected in series at a certain moment is specified to
  • N_ACTUAL largest integer value that is smaller than U_BORD / U_LED. f)
  • the number of LEDs in the lighting device is preferably selected according to
  • N_LED_TOTAL N_REIHE_minx (N_REIHE_min + l) x (N_REIHE_min + 2) x ... x N_REIHE_max.
  • the electrical system is shown in Fig. 1 by a battery. 3
  • the LEDs of the lighting device are here simply a resistor driver, so a
  • Series resistor 4 operated (alternatively, a linear driver could be used here).
  • the respective number of LEDs is through the switching device 2 in several strands each connected in series and the strands are connected in parallel.
  • the parallel strands are powered by the resistor driver.
  • the supply voltage or vehicle electrical system voltage is replaced by a
  • Measuring device 5 measured.
  • the corresponding measurement signal is fed to a control device 6, which indicates the number
  • a predefinable forward voltage eg.
  • U_BORD_min 9V
  • N_REIHE_min 2 results.
  • the forward voltage of the two LEDs is then 7 V and is below 9 V.
  • the maximum on-board voltage 16 V four LEDs can be connected in series, which then become one
  • Vehicle electrical system voltage would fall below 7 V and thus a strand only a single LED is included.
  • N_ACTUAL 2 for the number of LEDs in a string.
  • I_LED 1A
  • it may also be values such as 2.0 A, 0.5 A, 0.1 A or the like.
  • the losses in the above three cases would be 2 W and 3 W, respectively.
  • Light sources shown schematically.
  • the measuring of the supply voltage (for example the vehicle electrical system voltage) of the illumination device takes place.
  • the automatic determination of the number of light sources takes place in at least one of the strands and preferably in all strands.
  • the number of light sources per strand should be as equal as possible. For the number determined (in each case), the number corresponds to the largest integer multiplied by one
  • predeterminable flux voltage of each of the light sources is less than the measured supply voltage. Thereupon will be in a step S3 in a respective strand exactly the
  • a lighting device By setting the ideal total number according to the above point f), a lighting device can be realized in which all light sources (LEDs, laser diodes and the like) can be controlled uniformly at all voltage values of the electrical system or the supply voltage.
  • LEDs LEDs, laser diodes and the like
  • Control can in particular with a linear or
  • Resistor drivers in a manner that minimizes the power dissipation in the driver.
  • the use of linear or resistive drivers is

Landscapes

  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Lighting Device Outwards From Vehicle And Optical Signal (AREA)

Abstract

Eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Lichtquellen soll verlustarm und störungsarm betrieben werden können. Dazu wird eine Beleuchtungseinrichtung und ein entsprechendes Betriebsverfahren vorgeschlagen. Es wird eine Versorgungsspannung für die Beleuchtungseinrichtung gemessen und eine Anzahl an Lichtquellen (L11 bis L38) in mindestens einem Strang, in dem mehrere Lichtquellen (L11 bis L38) in Reihe geschaltet sind, automatisch ermittelt. Dabei entspricht die ermittelte Anzahl der größten ganzen Zahl, die multipliziert mit einer vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als die gemessene Versorgungsspannung ist. Dadurch lassen sich Verluste in Linear-und Widerstandstreibern minimieren, so dass deren Einsatz zweckmäßig wird.

Description

Beschreibung
Spannungsabhängige Verschaltung einzelner Lichtquellen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung, die mehrere
Lichtquellen aufweist, durch Messen einer Versorgungsspannung und Schalten der Lichtquellen in einen oder mehrere parallele Stränge, wobei die Lichtquellen in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet sind, in Abhängigkeit von der gemessenen
Versorgungsspannung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren
Lichtquellen, einer Messvorrichtung zum Messen einer
Versorgungsspannung und einer Schaltvorrichtung zum Schalten der Lichtquellen in einen oder mehrere parallele Stränge, wobei die Lichtquellen in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet sind, in Abhängigkeit von der gemessenen
Versorgungsspannung. Ferner betrifft die vorliegende
Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen
Beleuchtungseinrichtung.
Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge weisen meist LEDs oder Laser-Dioden und Stromtreiber auf. Es bestehen verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für solche
Beleuchtungseinrichtungen. Zum einen kann ein diskreter Aufbau von Dioden und Treiberbausteinen in einer oder mehreren Unterbaugruppen und zum anderen auch vollintegrierte Schaltkreise gewählt werden. Darüber hinaus sind auch
Mischlösungen mit diskreten und vollintegrierten
Schaltungselementen möglich.
An Beleuchtungseinrichtungen werden speziell im
Kraftfahrzeugbereich besondere Anforderungen gestellt. So sollen sie in der Regel nicht nur kostengünstig, sondern auch kompakt sein. Zusätzlich müssen sie aber auch robust sein und sollten möglichst wenige elektromagnetische Störungen
verursachen . ^
Treiber von Beleuchtungseinrichtungen im Kraftfahrzeugbereich müssen an Bordnetzen von Kraftfahrzeugen betrieben werden können. Diese schwanken typischerweise zwischen 9 und 16 V. In Abhängigkeit von den jeweils aktiven Verbrauchern kann die Batterie- bzw. Bordnetzspannung mehr oder weniger weit einbrechen. Besonders markant sind die Bordnetzspannung beispielsweise beim Betrieb der Zündung bzw. des Anlassers. Am Ausgang des Treibers muss in jedem Fall ein konstanter oder in Abhängigkeit von Eingangsgrößen gesteuerter Strom geliefert werden.
Als Treiber stehen beispielsweise geschaltete DC/DC-Wandler zur Verfügung. Diese sind in der Regel verhältnismäßig komplex und besitzen ein Gehäuse sowie eine entsprechende Verkabelung, was relativ bauraumintensiv sein kann. Aufgrund des getakteten Betriebs ist zusätzlich ein EMV-Schutz notwendig, der die Treiberkosten zusätzlich erhöht. Ihr
Vorteil liegt allerdings darin, dass die elektrischen
Verluste meist nur gering sind. Sie liegen beispielsweise bei 10 % der Ausgangsleistung. Beim Betrieb von zwei Leuchtdioden beispielsweise, die jeweils eine Flussspannung von 3,5 V besitzen und mit einem Strom von 1 A versorgt werden, ergibt sich die Verlustleistung Pv = 2 x 3 , 5V x 1A x 10% = 0,7 W. Aufgrund ihres geringen Verlusts werden die Schaltwandler insbesondere für Lichtquellen mit hohem Lichtstrom, z. B. Abblendlicht und Fernlicht eingesetzt.
Alternativ werden heute vielfach Linearregler oder sogenannte Widerstandsregler (Vorwiderstand in Serie zu einer LED an einer Spannungsquelle) als kostengünstigere Lösung mit geringeren Anforderungen eingesetzt. Sie verursachen
verhältnismäßig geringe elektromagnetische Störungen. Ihr Anwendungsbereich ist heute jedoch durch ihre große
Verlustleistung limitiert, die sich aus dem Produkt von
Ausgangsstrom und Spannungsabfall ergibt. Werden die oben genannten zwei LEDs an einem Bordnetz mit einer Netzspannung von 13 V betrieben, so fällt an dem Treiber die Spannung
13 V-2 x 3,5 V = 6 V ab. Die Verlustleistung beträgt demnach 6 V x 1 A =6 W. Dennoch wäre es wünschenswert, solche
Widerstands- und lineare Regler, die kleiner, billiger und störärmer als Schaltwandler sind, für
Beleuchtungseinrichtungen insbesondere im
Kraftfahrzeugbereich einsetzen zu können.
Die Druckschrift DE 10 2013 201 766 AI offenbart eine
Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Halbleiterlichtquellen und einer Vorrichtung zum Betreiben der
Halbleiterlichtquellen. Die Vorrichtung weist Schaltmittel auf, durch welche die Halbleiterlichtquellen gruppenweise für den Betrieb mit der Vorrichtung aufteilbar sind. Insbesondere erfolgt die Aufteilung in Abhängigkeit von der
Bordnetzspannung .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Lichtquellen möglichst verlustarm an einem Widerstands- oder Linearregler betreiben zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung, die mehrere Lichtquellen aufweist, durch
- Ermitteln eines Maßes einer Versorgungsspannung und
- Schalten der Lichtquellen in einen oder mehrere parallele Stränge, wobei die Lichtquellen in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet sind, in Abhängigkeit von dem ermittelten Maß der Versorgungsspannung,
sowie
- automatisches Ermitteln einer Anzahl an Lichtquellen in mindestens einem der Stränge, wobei die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit einer vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als das ermittelte Maß der Versorgungsspannung ist, und wobei
- bei dem Schalten der Lichtquellen in dem mindestens einen Strang genau die ermittelte Anzahl an Lichtquellen in Reihe geschaltet wird. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine
Beleuchtungseinrichtung mit
- mehreren Lichtquellen,
- einer Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines Maßes
einer Versorgungsspannung und
- einer Schaltvorrichtung zum Schalten der Lichtquellen in einen oder mehrere parallele Stränge, wobei die
Lichtquellen in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet sind, in Abhängigkeit von dem ermittelten Maß der
VersorgungsSpannung,
sowie mit
- einer Steuervorrichtung zum automatisches Ermitteln einer Anzahl an Lichtquellen in mindestens einem der Stränge, wobei die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit einer vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als das ermittelte Maß der
Versorgungsspannung ist, wobei
- die Schaltvorrichtung von der Steuervorrichtung derart
ansteuerbar ist, dass in dem mindestens einen Strang genau die ermittelte Anzahl an Lichtquellen in Reihe geschaltet ist .
In vorteilhafter Weise wird mindestens einer der Stränge so konfiguriert, dass die Anzahl seiner Lichtquellen dem größten ganzzahligen Wert entspricht, der kleiner als z.B. der
Quotient der aktuellen Bordnetzspannung bzw.
Versorgungsspannung und der vorgebbaren Flussspannung einer Lichtquelle ist. Das Ermitteln dieser Anzahl der Lichtquellen kann rein rechnerisch oder auf der Basis von Messungen während des Betriebs oder bei einer initialen Kalibrierung erfolgen. Damit liegt die Flussspannung des gesamten Strangs gleich mit der oder geringfügig unter der
Versorgungsspannung. Wird nun der Strang mit einem Linear- oder Widerstandstreiber betrieben, so ergeben sich wegen der minimalen Differenz zwischen Flussspannung und
Versorgungsspannung nur minimale Verluste. Das Ermitteln eines Maßes der Versorgungsspannung kann ein Messen der Versorgungsspannung sein. Alternativ kann ein Maß oder Repräsentant der Versorgungsspannung auch z.B. durch einen Zustand einer Schaltung repräsentiert werden. So könnte beispielsweise eine Schaltung mit Spannungsreferenz (en) , z.B. mittels Zener-Dioden oder sonstigen Dioden, eingesetzt werden, welche in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung bestimmte Schaltzustände einnimmt, welche als Steuergröße verwendet werden können. In diesem Fall müsste die
Versorgungsspannung nicht explizit gemessen werden.
Die Flussspannung der einzelnen Lichtquellen oder mehrerer davon kann vorgegeben oder gemessen werden. Beispielsweise kann sie für einen bestimmten Arbeitspunkt zur Vereinfachung der automatischen Ermittlung der Anzahl der Lichtquellen in einem Strang von vornherein festgelegt sein. Eine weitere Optimierung hinsichtlich der Verlustreduktion kann
gegebenenfalls aber dadurch erreicht werden, dass die
tatsächliche Flussspannung einer, mehrerer oder aller
Lichtquellen bzw. eines konkreten Strangs gemessen wird und so eine dynamische Anpassung an die Versorgungsspannung möglich wird.
Vorzugsweise besitzen alle parallelen Stränge die gleiche Anzahl an Lichtquellen in Serie. Dadurch ist es möglich, dass ein einziger Treiber für alle Stränge benutzt wird.
In einer besonderen Ausgestaltung werden für die
Versorgungsspannung ein Spannungsminimalwert und ein
Spannungsmaximalwert vorgegeben. Eine Minimalanzahl an
Lichtquellen wird dann in mindestens einem der Stränge dahingehend ermittelt, dass die Minimalanzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit der vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als der
Spannungsminimalwert ist. Ebenso wird eine Maximalanzahl an Lichtquellen in mindestens einem der Stränge dahingehend ermittelt, dass die Maximalanzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit der vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als der
Spannungsmaximalwert ist. Dabei wird als die Anzahl an
Lichtquellen eine ganze Zahl zwischen der Minimalanzahl und der Maximalanzahl gewählt. Durch dieses Festlegen einer
Minimalanzahl und einer Maximalanzahl ist es einfach möglich, eine ganze Zahl an Lichtquellen dazwischen zu wählen. Dies kann beispielsweise mittels einer Look-Up-Table erfolgen, in der die gemessene Versorgungsspannung einer Anzahl an
Lichtquellen zugeordnet wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung entspricht die Gesamtzahl der Lichtquellen der Beleuchtungseinrichtung dem Quotienten aus Fakultät (Maximalanzahl) und Fakultät
(Minimalanzahl -1) . Auf diese Weise können immer gleich lange Stränge gebildet werden, und es müssen nicht eine oder wenige übrige Lichtquellen separat angesteuert werden.
Wie oben bereits angedeutet wurde, ermöglicht die minimale Differenz zwischen der Flussspannung eines gesamten Strangs und der Versorgungsspannung den Einsatz von Lineartreibern und Widerstandstreibern, da die Verluste minimiert sind.
Dadurch wiederum ergeben sich Bauraum- , Kosten- und EMV- Vorteile . Speziell kann die Beleuchtungseinrichtung einen einzigen Lineartreiber oder Widerstandstreiber zur elektrischen
Versorgung aller Lichtquellen aufweisen. Dies führt zu weiteren Bauraum- und Kostenvorteilen. Alternativ kann die Beleuchtungseinrichtung für jeden Strang einen separaten Lineartreiber oder Widerstandstreiber zur elektrischen Versorgung der Lichtquellen aufweisen. Auf diese Weise ist es auch möglich, jede beliebige Anzahl an
Lichtquellen in einzelne Stränge zu unterteilen und doch verhältnismäßig verlustreduziert zu betreiben.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Lichtquellen um Leuchtdioden, Laserdioden oder Module davon. Unter einem Modul wird hier eine feste Baugruppe mit einer oder mehreren Leuchtdioden bzw. Laserdioden verstanden.
In einer besonders bevorzugten Anwendung ist ein
Kraftfahrzeug mit mindestens einer der oben geschilderten Beleuchtungseinrichtungen ausgestattet. Damit können
sämtliche Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung hinsichtlich Verlustleistung, Bauraum, Robustheit und EMV-Verträglichkeit in Kraftfahrzeugen zum Tragen kommen, wo diese Vorteile von besonderer Bedeutung sind. Der Einsatz ist dabei nicht auf
Kraftfahrzeuge beschränkt, sondern ist überall dort günstig, wo Versorgungsspannungen schwanken, insbesondere also in mobilen Geräten, bei denen die Versorgungsspannung häufig äußerst stark schwankt.
Die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschilderten Merkmale können als funktionelle Merkmale in der jeweiligen Beleuchtungseinrichtung realisiert werden. Umgekehrt können die als funktionelle Merkmale beschriebenen Eigenschaften einer Beleuchtungseinrichtung auch als
jeweilige Verfahrensschritte für das beanspruchte Verfahren eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung; und Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Betreiben einer
Beieuchtungseinrichtung .
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten
Merkmalskombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert werden können .
Es soll beispielsweise eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von LEDs in einem Kraftfahrzeug möglichst
verlustfrei und strahlungsarm betrieben werden. Insbesondere kann beispielsweise ein Abblendlicht bzw. Fernlicht des
Kraftfahrzeugs auf diese Weise realisiert werden. Die LEDs stehen für alle möglichen Lichtquellen, insbesondere für Halbleiterlichtquellen. Auch der Bezug auf ein Kraftfahrzeug ist rein exemplarisch und die Erfindung kann auch für andere Einsatzzwecke dienen.
Erstrebenswert ist es nun, für die Beleuchtungseinrichtung einen Linear- oder Widerstandstreiber zu verwenden. Diese besitzen einen verhältnismäßig einfachen Aufbau, nämlich gegebenenfalls nur einen Widerstand in Reihe zu der Last bzw. den Lichtquellen im Fall eines Widerstandstreibers. Optional kann der Widerstand temperaturabhängig sein (z.B. PTC oder NTC) .
In einem konkreten Beispiel besitzt die
Beleuchtungseinrichtung eine Matrix an Lichtquellen bzw. LEDs LH, L12, L13,...,L18; L21, L22, L23 , L28 ; L31, L32,
L33,...,L38, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Diese sollen nun in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung, die beispielsweise ein Bordnetz liefert, verschieden miteinander verschaltet werden. Die Verschaltung soll in einer solchen Art und Weise erfolgen, dass die Summe der in Reihe
geschalteten Dioden stets gleich oder knapp unterhalb der Bordnetzspannung bzw. Versorgungsspannung zu liegen kommt.
Im Beispiel von Fig. 1 wird die Matrix 1 der LEDs von einer Schaltvorrichtung 2 verschaltet. Diese ist in der Lage, mehrere der LEDs zu einem Strang in Serie zu schalten.
Weitere der LEDs werden gruppenweise zu einem zweiten, dritten Strang etc. verschaltet. In dem Beispiel von Fig. 1 sind sechs Stränge mit je vier LEDs gebildet. Einen ersten _
y
Strang bilden die LEDs LH bis L14, einen zweiten Strang die LEDs L15 bis L18, einen dritten Strang die LEDs L21 bis L24, einen vierten Strang die LEds L25 bis L28, einen fünften Strang die LEDs L31 bis L34 und einen sechsten Strang die LEDs L35 bis L38. Alternativ können auch andere Gruppen von jeweils vier LEDs gebildet werden. So können beispielsweise auch die LEDs LH, L21, L31 und L32 zu einem Strang bzw.
einer Gruppe verbunden sein. Die weiteren LEDs können
beliebig weiter gruppiert werden.
Anders als in dem Beispiel von Fig. 1 können auch Stränge mit drei LEDs, zwei LEDs, sechs LEDs, acht LEDs usw. gebildet werden. Im Extremfall wird sogar ein einziger Strang mit 24 LEDs gebildet oder es werden 24 „Stränge" mit jeweils einer LED gebildet. Im gewählten Beispiel von 24 LEDs sind folgende Gruppierungen möglich (Anzahl der Stränge x Anzahl der LEDs) :
24x1
12x2
8x3
6x4
4x6
3x8
2x12
1x24
Anstelle der Anzahl 24 im obigen Beispiel kann für die Anzahl der LEDs prinzipiell jede beliebige Zahl gewählt werden.
Vorteilhaft ist jedoch eine Anzahl an LEDs, die verschiedene Strangbildungen ohne Rest ermöglichen, wobei die Differenz der Stranglängen zumindest in einem bevorzugten Bereich jeweils nur 1 ist. Wie obige Tabelle zeigt, können im Fall von 24 LEDs Stränge mit 1, 2, 3, und 4 LEDs gebildet werden, wobei stets sämtliche LEDs genutzt sind und alle Stränge gleich lang sind. Im Folgenden wird allgemein hergeleitet, wie die Stränge gebildet werden sollten. Dabei kann in folgenden Schritten vorgegangen werden: a) Die Vorwärts- bzw. Flussspannung jeder LED, Laserdiode oder anderen Lichtquelle in der Beleuchtungseinrichtung kann durch deren Spezifikation oder bekannten Wertebereich auf eine Spanne U_LED_min bis U_LED_max eingegrenzt werden. Im aufwendigsten Fall wird die konkrete Spannung gemessen und im einfachsten Fall ist sie vorgegebenen bzw. wird auf einen bestimmten Wert festgelegt, z. B. U_LED=3,5 V. b) Die Bordnetzspannung bzw. Versorgungsspannung liegt in einem Bereich U_BORD_min bis U_BORD_max . Aufgrund der oft starken Schwankungen sollte die Bordnetzspannung aktuell gemessen werden. c) Die maximale Anzahl der LEDs in Reihe wird festgelegt auf N_REIHE_max = U_BORD_max/U_LED d) Die minimale Anzahl an LEDs in Reihe wird festgelegt auf N_REIHE_min = U_BORD_min/U_LED e) Die konkrete Anzahl der in einem bestimmten Moment in Reihe geschalteten LEDs wird festgelegt zu
N_AKTUELL = größter ganzzahliger Wert, der kleiner ist als U_BORD/U_LED. f) Die Anzahl der LEDs in der Beleuchtungseinrichtung wird vorzugsweise gewählt gemäß
N_LED_TOTAL = N_REIHE_minx (N_REIHE_min+l ) x (N_REIHE_min+2 ) x...x N_REIHE_max. Für den Fall, dass N_REIHE_min = 1 ist ergibt sich N_LED_TOTAL = N_REIHE_max ! , d.h. der Fakultät der maximalen Anzahl an Lichtquellen in einer Reihe. Andernfalls entspricht N_LED_TOTAL = N_REIHE_max ! / (N_REIHE_min-l ) !
Das Bordnetz wird in Fig. 1 durch eine Batterie 3
symbolisiert. Die LEDs der Beleuchtungseinrichtung werden hier einfach über einen Widerstandstreiber, also einen
Vorwiderstand 4 betrieben (alternativ könnte hier auch ein Lineartreiber eingesetzt werden). Die jeweilige Anzahl an LEDs wird durch die Schaltvorrichtung 2 in mehreren Strängen jeweils in Reihe geschaltet und die Stränge werden zueinander parallel geschaltet. Die parallel verlaufenden Stränge werden von dem Widerstandstreiber mit Strom versorgt. Um die LEDs intelligent zu Strängen zu schalten, wird die Versorgungsspannung bzw. Bordnetzspannung durch eine
Messeinrichtung 5 gemessen. Das entsprechende Messsignal wird einer Steuervorrichtung 6 zugeführt, die die Anzahl an
Lichtquellen bzw. LEDs in mindestens einem der Stränge, vorzugsweise in allen Strängen, automatisch ermittelt, wobei die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die
multipliziert mit einer vorgebbaren Flussspannung (z. B.
3,5 V) jeder der Lichtquellen kleiner als die gemessene
Versorgungsspannung ist.
Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel dargestellt. Die Flussspannung einer LED wird festgelegt auf U_LED = 3,5V. Für den Versorgungsspannungsbereich werden die beiden Grenzen U_BORD_min = 9V und U_BORD_max = 16V festgelegt. Bei einer Bordnetzspannung von 9 V können also nur 2 LEDs in Reihe geschaltet werden, so dass sich N_REIHE_min = 2 ergibt. Die Flussspannung der beiden LEDs beträgt dann 7 V und liegt unter 9 V. Bei der maximalen Bordspannung 16 V können vier LEDs in Reihe geschaltet werden, die dann zu einer
Gesamtflussspannung von 14 V führen, was dem größten
ganzzahligen Wert unterhalb der maximalen Bordspannung von 16 V entspricht. Es ergäbe sich damit entsprechend dem obigen Punkt f) eine LED-Gesamtzahl N_LED_TOTAL = 2 x 3 x 4 = 24. Diese Gesamtzahl bliebe auch gleich, wenn die
Bordnetzspannung unter 7 V fallen würde und damit ein Strang nur noch eine einzige LED enthalten ist.
Fall 1: Die aktuelle Bordnetzspannung beträgt U_BORD = 13,5V. Für diese Spannung können drei LEDs in Serie geschaltet werden, so dass N_AKTUELL = 3 ist. Dadurch ist die Summe aller U_LED genau 10,5 V. Dies liegt knapp unterhalb der aktuellen Bordnetzspannung von 13,5 V. In einem Lineartreiber fällt bei einem LED-Strom I_LED als Verlustleistung ab:
dU x I_LED = 3,0V x I_LED . Fall 2:
Falls die Bordnetzspannung 16 V beträgt ergibt sich pro
Strang N_AKTUELL = 4. Dadurch ist die Summe aller U_LED genau 14 V, was ebenfalls knapp unterhalb der aktuellen
Bordnetzspannung von 16 V liegt. In einem Lineartreiber fällt als Verlustleistung dann ab: dU x I_LED = 2,0V x I_LED.
Fall 3: Beträgt die Bordnetzspannung U_BORD 9 V, so ergäbe sich
N_AKTUELL = 2 für die Zahl der LEDs in einem Strang. Dadurch ist die Summe aller U_LED genau 7 V, was wieder knapp
unterhalb der aktuellen Bordnetzspannung von 9 V liegt. In einem Lineartreiber fällt als Verlustleistung ab:
dU x I_LED = 2,0V x I_LED.
Typischerweise beträgt der Strom durch eine LED I_LED=1A. Er kann aber auch Werte wie beispielsweise 2,0 A, 0,5 A, 0,1 A oder dergleichen betragen. Für den Fall von I_LED = 1A lägen die Verluste in den obigen drei Fällen bei 2 W bzw. 3 W.
In Fig. 2 ist der Verfahrensablauf zum Schalten der
Lichtquellen schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt Sl erfolgt das Messen der Versorgungsspannung (z. B. der Bordnetzspannung) der Beleuchtungseinrichtung. In einem anschließenden Schritt S2 erfolgt das automatische Ermitteln der Anzahl an Lichtquellen in mindestens einem der Stränge und vorzugsweise in allen Strängen. Dabei sollte die Anzahl der Lichtquellen pro Strang möglichst gleich sein. Für die (jeweils) ermittelte Anzahl gilt, dass die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit einer
vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als die gemessene Versorgungsspannung ist. Daraufhin wird in einem Schritt S3 in einem jeweiligen Strang genau die
ermittelte Anzahl an Lichtquellen in Reihe geschaltet.
Durch die Festlegung der idealen Gesamtzahl gemäß obigem Punkt f) kann eine Beleuchtungseinrichtung realisiert werden, bei der bei allen Spannungswerten des Bordnetzes bzw. der Versorgungsspannung alle Lichtquellen (LEDs, Laserdioden und dergleichen) gleichmäßig angesteuert werden können. Die
Ansteuerung kann insbesondere mit einem Linear- oder
Widerstandstreiber auf eine Art und Weise erfolgen, die die Verlustleistung im Treiber minimiert. Somit ist der Einsatz von Linear- oder Widerstandstreibern, die einfach,
störungsarm und robust sind, bei relativ hohen LED-Strömen möglich, wo bisher nur Schaltwandler zum Einsatz kommen.
Mit dieser Lösung ist eine sehr kompakte, im Extremfall in einem einzigen integrierten Gehäuse aufgebaute LED- Beleuchtungseinrichtung für Abbiend- und Fernlicht möglich. Das Einsparpotenzial kann einen Großteil der Kosten, des Bauraums und der Komplexität von Schaltwandlerlösungen betragen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungseinrichtung, die mehrere Lichtquellen (LH bis L38) aufweist, durch
- Ermitteln eines Maßes (Sl) einer Versorgungsspannung und
- Schalten (S3) der Lichtquellen (LH bis L38) in einen oder mehrere parallele Stränge, wobei die Lichtquellen in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet sind, in Abhängigkeit von dem Maß der Versorgungsspannung,
gekennzeichnet durch
- automatisches Ermitteln (S2) einer Anzahl an Lichtquellen (LH bis L38) in mindestens einem der Stränge, wobei die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die
multipliziert mit einer vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als das Maß der
Versorgungsspannung ist, und wobei
- bei dem Schalten (S4) der Lichtquellen in dem mindestens einen Strang genau die ermittelte Anzahl an Lichtquellen in Reihe geschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flussspannung
vorgegeben oder an einer oder mehreren der Lichtquellen (LH bis L38) gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei alle parallelen Stränge die gleiche Anzahl an Lichtquellen (LH bis L38) in Serie enthalten.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Versorgungsspannung ein Spannungsminimalwert und ein Spannungsmaximalwert vorgegeben werden, eine Minimalanzahl an Lichtquellen (LH bis L38) in mindestens einem der Stränge dahingehend ermittelt wird, dass die Minimalanzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit der vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als der Spannungsminimalwert ist, und eine Maximalanzahl an
Lichtquellen (LH bis L38) in mindestens einem der Stränge dahingehend ermittelt wird, dass die Maximalanzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit der vorgebbaren Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als der Spannungsmaximalwert ist, und wobei als die Anzahl an Lichtquellen eine ganze Zahl zwischen der Minimalanzahl und der Maximalanzahl gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Gesamtzahl der
Lichtquellen (LH bis L38) der Beleuchtungseinrichtung dem Quotienten aus Fakultät (Maximalanzahl ) und
Fakultät (Minimalzahl-1 ) entspricht.
6. Beleuchtungseinrichtung mit
- mehreren Lichtquellen (LH bis L38),
- einer Ermittlungseinrichtung (5) zum Ermitteln eines Maßes einer Versorgungsspannung und
- einer Schaltvorrichtung (2) zum Schalten der Lichtquellen (LH bis L38) in einen oder mehrere parallele Stränge, wobei die Lichtquellen in jedem Strang jeweils in Reihe geschaltet sind, in Abhängigkeit von dem ermittelten Maß der Versorgungsspannung,
gekennzeichnet durch
- eine Steuervorrichtung (6) zum automatisches Ermitteln
einer Anzahl an Lichtquellen (LH bis L38) in mindestens einem der Stränge, wobei die Anzahl der größten ganzen Zahl entspricht, die multipliziert mit einer vorgebbaren
Flussspannung jeder der Lichtquellen kleiner als das ermittelte Maß der Versorgungsspannung ist, wobei
- die Schaltvorrichtung (2) von der Steuervorrichtung (6) derart ansteuerbar ist, dass in dem mindestens einen
Strang genau die ermittelte Anzahl an Lichtquellen in
Reihe geschaltet ist.
7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 6, die einen
einzigen Lineartreiber oder einen einzigen Widerstandstreiber (4) zur elektrischen Versorgung aller Lichtquellen (LH bis L38) aufweist.
8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 6, die für jeden Strang einen separaten Lineartreiber oder Widerstandstreiber zur elektrischen Versorgung der Lichtquellen aufweist.
9. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Lichtquellen (LH bis L38) Leuchtdioden oder
Laserdioden oder Module davon sind.
10. Kraftfahrzeug mit einer Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9.
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