WO2020182428A1 - Steuer- und/oder regelungsmittel, schaltungsanordnung und verfahren zur reduzierung des strommaximums in einem leuchtdiodenfeld - Google Patents

Steuer- und/oder regelungsmittel, schaltungsanordnung und verfahren zur reduzierung des strommaximums in einem leuchtdiodenfeld Download PDF

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WO2020182428A1
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light
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switch
emitting diode
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Bernd-Ulrich HAGEMEIER
Sarah Knoop
Carsten Wilks
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Definitions

  • the invention relates to a control and / or regulating means for controlling and / or regulating a light-emitting diode array with n LEDs, where n> 2, with outputs at which control and / or regulating signals for controlling and / or regulating controllable switching elements can be tapped
  • control and / or regulating means switch-on times and / or switch-off times of pulses through the control signals and / or re
  • gel signals are definable 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 described.
  • Such a light-emitting diode field is located, for example, in newly developed LED headlights with tens of thousands of light-emitting diodes within a light-emitting diode field.
  • the invention is based on the object of proposing a control and / or regulating means, a circuit arrangement and a method with which the maximum current consumed by a light-emitting diode array can be reduced.
  • Control signals can be defined and one and / or more controllable switching elements can be activated during the determined pulses for closing or opening, whereby a number of k groups can be defined, each LED is assigned to one of the k groups, so that each of the k groups contains m j light-emitting diodes , where 1 £ j £ k and
  • a 1 ... a k can be determined and the switch-on and switch-off time of the pulse for each LED one
  • each LED is therefore sensible for each LED to be assigned to one of the k groups such that adjacent LEDs are assigned to different groups.
  • the LEDs in a group should be distributed in such a way that no LED blocks of neighboring light-emitting diodes are formed within a group.
  • the individual LEDs of a light-emitting diode field could be assigned to groups 1, 2 and 3 as follows:
  • a meaningful assignment of the individual LEDs of a light-emitting diode field is, for example, the following:
  • the objective can be to separate the switch-on times or the switch-off times from one another as far as possible, since a reduction in the maximum current can be achieved by not switching all LEDs on simultaneously or in quick succession.
  • k 1: a 1 is freely selectable
  • T is a clock period
  • LED of a group depending on a can be calculated according to the formula:
  • the switch-on time and the switch-off time of the pulses for each light-emitting diode in a group can be calculated for all desired forms of implementation using the formulas given.
  • k Since the number of k groups to be formed is limited by the technical possibilities, k should be chosen according to the principle “as large as necessary, as small as possible”.
  • a mean value M PW of the pulse widths PW i can be calculated according to the formula
  • a number of k groups can be determined according to the formula
  • each LED is assigned to one of the k groups.
  • control and / or regulating means can be set up in such a way that results of simulations are stored in order to determine the optimal number of k.
  • the method for setting up the control and / or regulating means has at least the following steps:
  • the pulses of the individual LEDs in a group for the required brightness distribution are determined using the simulation,
  • a current distribution in the LED field is simulated based on the impulses, - an optimal number of k groups is determined based on the power distribution,
  • the information determined on the basis of the simulation is transferred to the control and / or regulating means.
  • the invention also relates to a circuit arrangement for controlling and / or regulating a light-emitting diode field.
  • the circuit arrangement according to the invention has a control and / or regulating means according to claims 1 to 7, a power source for each LED and a light-emitting diode field, the light-emitting diode field comprising at least two series circuits each comprising at least one light-emitting diode and a controllable switching element , wherein a control connection of each controllable switching element is connected to an output of the control and / or regulating means.
  • the method for operating a circuit arrangement according to the invention has at least the following steps:
  • k groups are determined by the control and / or regulating means or transferred to the control and / or regulating means or determined randomly,
  • each LED is assigned to a group
  • the control and / or regulating means (1) controls the controllable switching elements for the determined switch-on time and the determined switch-off time of the pulse for each light-emitting diode of each group
  • the method for operating a second variant of the circuit arrangement also has at least the following steps:
  • each LED is assigned to one of the k groups.
  • the advantage of the present invention is that with an increasing number of groups, the maximum of the current within a light-emitting diode field is significantly reduced and becomes more continuous.
  • the present invention also provides a possibility of achieving a sensible effort / benefit balance.
  • FIG. 1 block diagram of a circuit arrangement according to the invention for
  • 2a, 2b are flow diagrams to illustrate the determination of the reference times and the switch-on and switch-off times
  • Fig. 4 simulated current distribution with a different number of
  • Groups for a real brightness distribution 1 shows a block diagram of a circuit arrangement 5 according to the invention for controlling and / or regulating a light-emitting diode array 2.
  • the circuit arrangement 5 according to the invention can be implemented, for example, by an integrated circuit, in particular a commodity chip or an ASIC. Other designs of the circuit arrangement 5 are entirely conceivable.
  • the light-emitting diode field 2 is assumed here as a matrix LED system, as it is used in newly developed headlights of motor vehicles.
  • the individual light-emitting diodes LED 11 , LED 12 , ... are arranged in rows and columns to one another.
  • the invention is not limited to light-emitting diode arrays with light-emitting diodes arranged in rows and columns.
  • the light-emitting diode field 2 has a different arrangement of the light-emitting diodes LED 11 , LED 12 ,...
  • LED systems with 15,000-25,000 light-emitting diodes LED 11 , LED 12 , ... are used.
  • the individual LEDs can be operated via a controllable switching element 4 which is activated for opening or closing.
  • the brightness of the individual light-emitting diodes LED 11 , LED 12 ,... Is set over the duration of the closed controllable switching element 4.
  • the required brightness of the individual light-emitting diodes LED 11 , LED 12 , ... can be determined on the basis of image data that can be transferred from a control device 8 to the control and / or regulating means 1.
  • control and / or regulating means 1 It is also conceivable that the required brightness values are transferred directly to the control and / or regulating means 1.
  • the controllable switching elements 4 are switched on and off at such a high frequency that it cannot be seen by the human eye.
  • the circuit arrangement 5 comprises at least one current source 6.
  • the current source 6 is a controllable current source 6.
  • Light-emitting diode LED 11 , LED 12 , ... in the light-emitting diode field 2 has a current source 6 and a controllable switching element 4. Such a design is possible, for example, with the novel LED headlights mentioned at the beginning.
  • control and / or regulating means 1 in a circuit arrangement 5 according to the invention, at least one control and / or regulating means 1 according to the invention is provided.
  • the control and / or regulating means 1 is connected to the controllable current source 6 and the controllable switching elements 4 of the light-emitting diode array 1 via these outputs 3.
  • the control and / or regulating means can also have at least one input 9.
  • Image data for determining the required brightness, for example, can be transferred via this input.
  • the control and / or regulating means 1 according to the invention is set up in such a way that the process steps required to achieve a desired brightness distribution of the light-emitting diodes LED 11 , LED 12 ,... Of the light-emitting diode field 2 can be run through autonomously.
  • control and / or regulating means 1 this is achieved by first defining a number of k groups and assigning each LED to one of the k groups.
  • the number of necessary groups can be determined on the one hand by a calculation within the control and / or regulating means 1 during operation.
  • k 1: a 1 is freely selectable
  • T is a clock period
  • a formula is used in unit 7 to calculate the switch-on time and the switch-off time of the pulse for each LED in a group
  • Controlled ble switching elements 4 for closing or opening.
  • controllable current source supplies the required current i in order to make the selected light-emitting diode light up and to achieve the required brightness distribution.
  • FIG. 2a, 2b show flowcharts for better illustration of the determination of the reference times and the switch-on and switch-off times.
  • Fig. 2a shows an outer loop and
  • Fig. 2b shows an inner loop.
  • the number of k groups is determined according to one of the variants described in FIG. 1 and each light-emitting diode is assigned to a group, so that each group contains m j light-emitting diodes. This information is fed into the system in a suitable manner.
  • the flowchart begins in an outer loop in which the individual groups are worked through one after the other.
  • first j: 1 is set, i.e. the first of the k groups is considered.
  • the reference time ai for the first group is now established according to one of the methods presented. As already shown, this can happen, for example, randomly, in accordance with a stored table or using the formulas presented.
  • the switch-on time and the switch-off time are determined recursively for each assigned light-emitting diode p j of the group considered in this run.
  • the value of p j runs through all values until the number of light-emitting diodes in the respective group m j is reached.
  • a switch-on time and a switch-off time are determined below for this light-emitting diode.
  • the next step is to check whether the value of p j corresponds to the value of m j , ie the inner loop has been processed for all light-emitting diodes in the group under consideration.
  • the time in this case a clock period T, is plotted on the x-axis.
  • the current of the controllable current source 6 is plotted on the y-axis.
  • the present example shows an impulse for each of the 5 groups. This would mean that there would only be one light emitting diode in each group. In practice, a large number of light emitting diodes are assigned to a group. The assumption that a light-emitting diode is assigned to each of the k groups is used exclusively for better clarity in FIG. 3. By determining the reference times according to the invention and calculating the switch-on time and the switch-off time, a uniform distribution of the pulses over a clock period is achieved.
  • the aim of the present invention is to reduce the maximum current within the circuit arrangement and to harmonize the current curve.
  • FIG. 4 shows a simulated current distribution with a different number of groups for a real brightness distribution.
  • the number of k groups is not determined, but a comparison of different numbers is carried out in order to clarify the influence of the number of groups k on the current distribution.
  • the switch-on times and the switch-off times are calculated using the formulas described under FIG. 1.
  • the simulation involves a real arrangement with several thousand light-emitting diodes, which are assigned to the different groups according to the criteria shown in FIG. 1.
  • LED 11 LED 11 , LED 12 , ... light-emitting diodes

Abstract

Steuer- und/oder Regelungsmittel, zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes mit n LEDs, wobei n>2 ist, 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 (I) von Impulsen durch die Steuersignale und/oder Regelsignale definierbar sind und ein und/oder mehrere steuerbare Schaltelemente (4) während der ermittelten Impulse zum Schließen oder Öffnen ansteuerbar sind, wobei eine Anzahl von k Gruppen festlegbar ist, jede LED einer der k Gruppen zugeordnet wird, so dass jede der k Gruppen mj· Leuchtdioden enthält, wobei 1 ≤ j ≤ k und (II) ist, für jede Gruppe ein Bezugszeitpunkt α j = α1...α k bestimmbar ist und der Ein- und der Ausschaltzeitpunkt (I) des Impulses für jede LED einer jeden Gruppe in Abhängigkeit von dem Bezugszeitpunkt α j = α1...α k ermittelbar ist, wobei 1 ≤ p j ≤ m j ist.

Description

Steuer- und/oder Regelungsmittel, Schaltungsanordnung und Verfahren zur Re- duzierung des Strommaximums in einem Leuchtdiodenfeld
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Steuer- und/oder Regelungsmittel, zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes mit n LEDs, wobei n>2 ist, mit Ausgängen an denen Steuer- und/oder Regelsignale zum Steuern und/oder Regeln von steuerbaren Schalt- elementen abgreifbar sind,
wobei mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel Einschaltzeitpunkte und/oder Aus- schaltzeitpunkte von Impulsen durch die Steuersignale und/oder Re-
Figure imgf000003_0001
gelsignale definierbar sind und ein und/oder mehrere steuerbare Schaltelemente wäh- rend der ermittelten Impulse zum Schließen oder Öffnen ansteuerbar sind.
Eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanord- nung.
Bei Leuchtdiodenfeldern wird die Helligkeit jedes einzelnen Pixels über ein pulsweiten- moduliertes (Strom-)Signal mit einem Impuls mit einer Pulsbreite PW= 0...100% ge- steuert.
In heutigen Systemen werden üblicherweise alle LED von einem Leuchtdiodenfeld zum Zeitpunkt tein = 0 gleichzeitig eingeschaltet und dann sukzessive am Ende ihres jeweiligen Impulses zum Zeitpunkt ausgeschaltet.
Figure imgf000003_0002
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.
Ein solches Leuchtdiodenfeld befindet sich beispielsweise in neuartig entwickelten LED-Scheinwerfern mit mehreren zehntausend Leuchtdioden innerhalb eines Leucht- diodenfeldes. Hier ist es wünschenswert das Strommaximum im System zu reduzie- ren und die Stromkurve insgesamt zu vergleichsmäßigen, um bessere EMV Verhält- nisse zu erreichen und eine günstigere Auslegung der LED Versorgung zu ermögli- chen.
An diesem Punkt setzt die vorliegende Erfindung an.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Steuer und/oder Regelungsmittel, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit der das Maximum des von einem Leuchtdiodenfeld aufgenommenen Stroms reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird in einer ersten Variante erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Steuer- und/oder Regelungsmittel, zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdio- denfeldes mit n LEDs, wobei n>2 ist, mit Ausgängen an denen Steuer- und/oder Re- gelsignale 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
Figure imgf000004_0001
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 ist, jede LED einer der k Gruppen zugeordnet wird, so dass jede der k Gruppen mj Leuchtdioden enthält, wobei 1 £ j £ k und
ist, für jede Gruppe ein Bezugszeitpunkt aj =
Figure imgf000004_0002
a1 ... ak bestimmbar ist und der Ein- und der Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede LED einer
Figure imgf000004_0003
jeden Gruppe in Abhängigkeit von dem Bezugszeitpunkt aj = a1 ... ak ermittelbar ist, wobei 1 £ pj £ mj ist.
Die Gruppierung der einzelnen LED eines Leuchtdiodenfeldes zu Gruppen und die Zuweisung von unterschiedlichen Bezugszeitpunkten zur Ermittlung der Ein- bzw. Ausschaltzeitpunkte führen zu einer Verteilung der Impulse über eine Taktperiode. Durch diese Maßnahme wird der Maximalstrom im System reduziert und die Strom- kurve abgeflacht. Geforderte Helligkeitsverteilungen weisen häufig kleine Gradienten hinsichtlich der Helligkeit zwischen benachbarten LEDs auf, d.h. das benachbarte LEDs eine ähnliche Helligkeit haben müssen und damit einen ähnlichen Impuls aufweisen. Dies ist insbe- sondere bei der Anwendung eines Leuchtdiodenfeldes in einem Scheinwerfer und den dort zu erwartenden Sollichtverteilungen der Fall.
Um die Vorteile der vorgeschlagenen Erfindung zu maximieren, ist es daher sinnvoll, dass die Zuordnung jeder LED zu einer der k Gruppen so erfolgt, dass benachbarte LEDs unterschiedlichen Gruppen zugeordnet sind.
Die LED einer Gruppe sollten so verteilt werden, dass innerhalb einer Gruppe keine LED-Blöcke benachbarter Leuchtdioden gebildet werden.
Im Folgenden wird beispielhaft gezeigt, wie eine sinnvolle Zuordnung der Leuchtdio- den zu den k Gruppen erfolgen kann. Es wird angenommen, dass es sich um ein Mat- rix-LED-System handelt, bei dem die LED in Spalten und Reihen angeordnet sind. Ohne weiteres können andere Geometrien in ähnlicher Weise eingeteilt werden.
Für k=2 sollten die einzelnen LED eines Leuchtdiodenfeldes wie folgt den Gruppen 1 und 2 zugeordnet werden:
1212121212121212...
2121212121212121...
1212121212121212...
Für k=3 könnten die einzelnen LED eines Leuchtdiodenfeldes folgendermaßen den Gruppen 1, 2 und 3 zugeordnet werden:
123123123123123...
231231231231231...
312312312312312... Für k=5 ist ein sinnvolle Zuordnung der einzelnen LEDs eines Leuchtdiodenfeldes bei- spielsweise die Folgende:
1425314253...
2531425314...
3142531425...
4253142531...
Es kann vorteilhaft sein, dass der Bezugszeitpunkt aj = a1...ak zufällig wählbar ist. Dies erspart Rechenaufwand innerhalb des Steuer- und/oder Regelungsmittels.
Allerdings kann die Zielsetzung sein, die Einschaltzeitpunkte oder die Ausschaltzeit- punkte so weit wie möglich voneinander zu trennen, da eine Verringerung des Strom- maximums dadurch erreicht werden kann, dass nicht alle LEDs gleichzeitig oder kurz hintereinander eingeschaltet werden.
Vorteilhafterweise kann der Bezugszeitpunkt aj = a1...ak folgendermaßen ermittelbar sein:
k=1 : a1 ist frei wählbar,
k=2: a1 = 0 ,a2 = T,
Figure imgf000006_0001
miti = 1...k— 2,
wobei T eine Taktperiode ist.
Aus den ermittelten Bezugszeitpunkten aj = a1...ak ist es möglich, den Einschaltzeit- punkt und den Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede LED einer Gruppe zu ermit- teln. Es kann vorgesehen sein, dass der Einschaltzeitpunkt des Impulses für jede
Figure imgf000007_0001
LED einer Gruppe in Abhängigkeit von a berechenbar ist nach der Formel:
Figure imgf000007_0002
und der Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede LED einer Gruppe in Ab-
Figure imgf000007_0003
hängigkeit von a berechenbar ist nach der Formel:
Figure imgf000007_0004
wobei
— aj = a1 ... ak ist,
- = Pulsbreite der p. Leuchtdiode in der j. Gruppe in % von T ist.
Figure imgf000007_0005
Der Einschaltzeitpunkt und der Ausschaltzeitpunkt der Impulse für jede Leuchtdiode einer Gruppe sind nach den angegebenen Formeln für alle gewünschten Realisie- rungsformen berechenbar.
Für den eingangs erwähnten Fall, dass alle Leuchtdioden zum Beginn einer Taktperi- ode eingeschaltet werden sollen, bedeutet dies einen Bezugszeitpunkt aj = 0. Wird dieser Wert für a in die Formeln eingesetzt, ergibt sich und
Figure imgf000007_0006
. Es werden somit alle Impulse zum Beginn
Figure imgf000007_0007
der Taktperiode eingeschaltet und nach der Impulsdauer jeder Leuchtdiode wieder ausgeschaltet.
Das gleiche Prinzip gilt für den Fall, dass alle Leuchtdioden am Ende der Taktperiode gleichzeitig ausgeschaltet werden sollen und der individuelle Einschaltzeitpunkt für je- den Impuls berechnet werden muss. In diesem Fall ist der Bezugszeitpunkt aj = T in die Formeln einzusetzen. Leicht erkennbar ergeben sich ein individueller Einschalt- zeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode und ein gemeinsamer Ausschaltzeitpunkt am Ende der Taktperiode. Für jeden Bezugszeitpunkt aj, der innerhalb einer Taktperiode liegt, ergibt sich aus den Formeln wie lange vor dem Bezugszeitpunkt jeder Impuls eingeschaltet und wie lange nach dem Bezugszeitpunkt jeder Impuls ausgeschaltet wird.
Aufgrund der angegebenen Formeln ergeben sich so möglichst gleichmäßig verteilte Impulse über eine Taktperiode.
Da die Anzahl der zu bildenden k Gruppen von den technischen Möglichkeiten be- grenzt wird, sollte k nach dem Grundsatz„so groß wie nötig, so klein wie möglich“ ge- wählt werden.
Diese Aufgabe wird in einer zweiten Variante erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel
- ein Mittelwert MPW der Pulsbreiten PWi berechenbar ist, nach der Formel
Figure imgf000008_0001
- in Abhängigkeit des Mittelwertes MPW eine Anzahl von k Gruppen festlegbar ist, nach der Formel
Figure imgf000008_0002
- jede LED einer der k Gruppen zugeordnet wird.
Erfindungsgemäß kann das Steuer- und/oder Regelungsmittel so eingerichtet werden, dass Ergebnisse von Simulationen hinterlegt werden, um die optimale Anzahl von k zu bestimmen.
Dann kann es vorgesehen sein, dass das Verfahren zum Einrichten des Steuer- und/oder Regelungsmittels wenigstens die nachfolgenden Schritte aufweist:
- geforderte Helligkeitsverteilungen, die mit dem Leuchtdiodenfeld erzielt werden sollen, werden in einer Simulation nachgebildet,
- die Impulse der einzelnen LEDs einer Gruppe für die geforderte Helligkeitsver- teilung werden anhand der Simulation bestimmt,
- für unterschiedliche Gruppenanzahlen wird eine Stromverteilung im Leuchtdio- denfeld aufgrund der Impulse simuliert, - eine optimale Anzahl von k Gruppen wird anhand der Stromverteilungen be- stimmt,
- die aufgrund der Simulation ermittelten Angaben werden an das Steuer- und/o- der Regelungsmittel übergeben.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist ein Steuer- und/oder Regelungsmittel gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, eine Strom- quelle für jede LED und ein Leuchtdiodenfeld auf, wobei das Leuchtdiodenfeld we- nigstens zwei Reihenschaltungen umfasst, die jeweils wenigstens eine Leuchtdiode und ein steuerbares Schaltelement umfassen, wobei ein Steueranschluss jedes steu- erbaren Schaltelements mit einem Ausgang des Steuer und/oder Regelungsmittels verbunden ist.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass jede Stromquelle der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung durch das Steuer- und/oder Regelungsmittel regelbar ist, wobei der Strom bei geschlossenem steuerbaren Schaltelement i=imax und bei geöffneten steuerbaren Schaltelement i=0 ist.
Das Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist wenigstens die nachfolgenden Schritte auf:
- eine Anzahl von k Gruppen werden von dem Steuer- und/oder Regelungsmittel ermittelt oder an das Steuer- und/oder Regelungsmittel übergeben oder zufällig bestimmt,
- jede LED wird einer Gruppe zugeordnet,
- für jede Gruppe wird ein Bezugszeitpunkt aj = a1 ... ak festgelegt,
- der Ein- und der Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede
Figure imgf000009_0001
Leuchtdiode einer jeden Gruppe werden in Abhängigkeit von dem Bezugszeit- punkt aj = a1 ... ak ermittelt - das Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 ) steuert die steuerbaren Schaltele- mente für den ermittelten Einschaltzeitpunkt und den ermittelten Ausschaltzeit- punkt des Impulses für jede Leuchtdiode einer jeden Gruppe
Figure imgf000010_0001
zum Schließen oder Öffnen an.
Ebenso weist das Verfahren zum Betreiben einer zweiten Variante der Schaltungsan- ordnung wenigstens die nachfolgenden Schritte auf:
- ein Mittelwert MPW aller Pulsbreiten PWi wird nach der Formel
berechnet.
Figure imgf000010_0002
- in Abhängigkeit des Mittelwertes MPW wird eine Anzahl von k Gruppen nach der Formel festgelegt,
Figure imgf000010_0003
- jede LED wird einer der k Gruppen zugeordnet.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass mit einer zunehmenden An- zahl von Gruppen das Maximum des Stromes innerhalb eines Leuchtdiodenfeldes deutlich reduziert und kontinuierlicher wird.
Da die Anzahl der Gruppen sinnvollerweise nicht unendlich gesteigert werden können, gibt die vorliegende Erfindung ebenso eine Möglichkeit eine sinnvolle Aufwand/Nutzen Abwägung zu erreichen.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum
Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes
Fig. 2a, 2b Flussdiagramme zur Veranschaulichung der Ermittlung der Bezugszeit- punkte und der Einschalt- und Ausschaltzeitpunkte
Fig. 3 beispielhafte Darstellung einer erfindungsgemäßen Impulsverteilung für k=5
Fig. 4 simulierte Stromverteilung bei einer unterschiedlichen Anzahl von
Gruppen für eine reale Helligkeitsverteilung In Fig. 1 wird ein Blockschaltbild von einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 5 zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes 2 gezeigt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 5 kann beispielsweise durch einen inte- grierten Schaltkreis, insbesondere einen Commodity Chip oder einen ASIC realisiert werden. Andere Ausführungen der Schaltungsanordnung 5 sind durchaus vorstellbar.
Das Leuchtdiodenfeld 2 wird hier als Matrix-LED-System angenommen, wie es in neu- artig entwickelten Scheinwerfern von Kraftfahrzeugen Anwendung findet.
Die einzelnen Leuchtdioden LED11,LED12, ... sind in Reihen und Spalten zueinander angeordnet. Die Erfindung ist aber nicht auf Leuchtdiodenfelder mit in Reihen und Spalten angeordneten Leuchtdioden beschränkt.
Es ist hierbei durch aus ohne weiteres vorstellbar, dass das Leuchtdiodenfeld 2 eine andere Anordnung der Leuchtdioden LED11,LED12, ... aufweist.
In heutigen Scheinwerfern kommen LED-Systeme mit 15.000-25.000 Leuchtdioden LED11,LED12, ... zum Einsatz.
Die einzelnen LED können über ein steuerbares Schaltelement 4, welches zum Öff- nen oder Schließen angesteuert wird, betrieben werden. Über die Dauer des ge- schlossenen steuerbaren Schaltelementes 4 wird die Helligkeit der einzelnen Leucht- dioden LED11,LED12, ... eingestellt.
Die erforderliche Helligkeit der einzelnen Leuchtdioden LED11,LED12, ... kann anhand von Bilddaten, die von einem Steuergerät 8 an das Steuer- und oder Regelungsmittel 1 übergeben werden können, ermittelbar sein.
Es ist ebenso vorstellbar, dass die erforderliche Helligkeitswerte direkt an das Steuer- und/oder Regelungsmittel 1 übergeben werden. Das Ein- und Ausschalten der steuerbaren Schaltelemente 4 erfolgt mit einer so ho- hen Frequenz, dass es für das menschliche Auge nicht erkennbar ist.
Neben dem Leuchtdiodenfeld 2 umfasst die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 5 wenigstens eine Stromquelle 6. Bei der Stromquelle 6 handelt es sich um eine steu- erbare Stromquelle 6.
Es ist vorstellbar, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 5 für jede
Leuchtdiode LED11,LED12, ... in dem Leuchtdiodenfeld 2 eine Stromquelle 6 und ein steuerbares Schaltelement 4 aufweist. Eine derartige Ausführung ist beispielsweise bei den eingangs genannten neuartigen LED-Scheinwerfern möglich.
Außerdem ist bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 5 wenigstens ein erfindungsgemäßes Steuer- und/oder Regelungsmittel 1 vorgesehen. Das Steuer- und/oder Regelungsmittel 1 vorzugsweise mehrere Ausgänge 3. Über diese Aus- gänge 3 ist das Steuer- und/oder Regelungsmittel 1 mit der steuerbaren Stromquelle 6 und den steuerbaren Schaltelementen 4 des Leuchtdiodenfeldes 1 verbunden.
Ebenso kann das Steuer- und/oder Regelungsmittel wenigstens einen Eingang 9 auf- weisen. Über diesen Eingang können beispielsweise Bilddaten zur Ermittlung der er- forderlichen Helligkeit übergeben werden.
Das erfindungsgemäße Steuer- und/oder Regelungsmittel 1 ist derart eingerichtet, dass die erforderlichen Prozessschritte zum Erreichen einer gewünschten Helligkeits- verteilung der Leuchtdioden LED11,LED12, ... des Leuchtdiodenfeldes 2 autonom durchlaufen werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Steuer und/oder Regelungsmittel 1 wird dies dadurch er- reicht, dass zunächst eine Anzahl von k Gruppen festgelegt und jede LED einer der k Gruppen zugeordnet wird. Die Festlegung der Anzahl der notwendigen Gruppen kann zum einen durch eine Be- rechnung innerhalb des Steuer- und/oder Regelungsmittels 1 während des Betriebes erfolgen.
Weiterhin ist es vorstellbar, eine Anzahl von Gruppen im Vorhinein festzulegen und dem Steuer- und/oder Regelungsmittel 1 zu übergeben.
Innerhalb des Steuer- und/oder Regelungsmittels 1 ist es weiterhin vorgesehen, dass eine Einheit 7 zur Bestimmung der Bezugszeitpunkte aj = a1 ... ak vorhanden ist.
Die Bezugszeitpunkte aj = a1 ... ak lassen sich auf unterschiedliche Weise ermitteln. Soll der Rechenaufwand minimiert werden, können die Werte beispielsweise zufällig, mit Hilfe eines Zufallsgenerators gewählt werden.
Bevorzugterweise ist die Einheit 7 so eingerichtet, dass sie aus dem ermittelten Wert der Anzahl der Gruppen den Bezugszeitpunkt aj = a1 ... ak berechnet.
In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Einheit 7 so eingerichtet, dass sie den Bezugszeitpunkt aj = a1 ... ak unter Berücksichtigung der Anzahl der Gruppen folgendermaßen ermittelt:
k=1 : a1 ist frei wählbar,
k=2: a1 = 0 , a2 = T,
Figure imgf000013_0001
mit i = 1 ... k— 2,
wobei T eine Taktperiode ist.
In Abhängigkeit von den dann zur Verfügung stehenden Bezugszeitpunkten
aj = a1 ... ak kann das erfindungsgemäße Steuer- und/oder Regelungsmittel 1 den
Ein- und Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede LED einer Gruppe
Figure imgf000013_0002
ermitteln. Hierzu wird in der Einheit 7 eine Formel für die Berechnung des Einschaltzeitpunktes und des Ausschaltzeitpunktes des Impulses für jede LED einer Gruppe
Figure imgf000014_0001
hinterlegt. Im vorliegenden Fall werden folgende Formeln der Einheit zur Verfügung gestellt:
Einschaltzeitpunkt
Figure imgf000014_0002
Ausschaltzeitpunkt
Figure imgf000014_0003
Aufgrund der ermittelten Ein- bzw. Ausschaltzeiten werden die steuer-
Figure imgf000014_0004
baren Schaltelemente 4 zum Schließen oder Öffnen angesteuert.
Während das steuerbare Schaltelement geschlossen ist, liefert die regelbare Strom- quelle den benötigten Strom i um die ausgewählte Leuchtdiode zum Leuchten zu brin- gen und die erforderliche Helligkeitsverteilung zu erreichen.
Fig. 2a, 2b zeigen Flussdiagramme zur besseren zur Veranschaulichung der Ermitt- lung der Bezugszeitpunkte und der Einschalt- und Ausschaltzeitpunkte. Fig. 2a zeigt eine äußere Schleife und Fig. 2b zeigt eine innere Schleife.
Als vorbereitende Maßnahme wird die Anzahl der k Gruppen nach einer der in Fig. 1 beschriebenen Varianten bestimmt und jede Leuchtdiode einer Gruppe zugeordnet, so dass jede Gruppe mj Leuchtdioden enthält. Diese Angaben werden dem System in geeigneter Weise zugeführt.
Das Flussdiagramm beginnt in einer äußeren Schleife, in der die einzelnen Gruppen nacheinander durchlaufen werden. Der Wert von j läuft daher von j=1 bis j=k.
Beginnend wird zunächst j:=1 gesetzt, also die erste der k Gruppen betrachtet. In einem ersten Schritt wird jetzt nach einem der vorgestellten Verfahren der Bezugs- zeitpunkt ai für die erste Gruppe festgelegt. Dies kann wie bereits dargestellt bei- spielsweise zufällig, gemäß einer hinterlegten Tabelle oder in Anwendung der darge- legten Formeln geschehen.
Nach der Festlegung des Bezugszeitpunktes für die gerade betrachtete Gruppe, star- tet die innere Schleife der Anwendung.
In der inneren Schleife wird rekursiv für jede zugeordnete Leuchtdiode pj der in die- sem Durchlauf betrachteten Gruppe der Einschaltzeitpunkt und der Ausschaltzeitpunkt ermittelt.
Der Wert von pj durchläuft alle Werte bis die Anzahl der Leuchtdioden in der jeweiligen Gruppe mj erreicht ist.
Zunächst ist j=1 , so dass die Leuchtdioden pi der ersten Gruppen durchlaufen wer- den.
Hierzu wird zunächst p1 :=1 gesetzt, also die erste Leuchtdiode der ersten Gruppe be- trachtet.
Ausgehend von dem Bezugswert für die erste Gruppe wird für diese Leuchtdiode im Folgenden ein Einschaltzeitpunkt und ein Ausschaltzeitpunkt ermittelt.
Ist dies geschehen, wird als nächstes geprüft, ob der Wert von pj dem Wert von mj entspricht, also für alle Leuchtdioden der betrachteten Gruppe die innere Schleife ab- gearbeitet wurde.
Wird die Abfrage mit„nein“ beantwortet, wird der Wert von pj um 1 erhöht und die in- nere Schleife wird erneut durchlaufen.
Wird die Abfrage mit„ja“ beantwortet, endet die innere Schleife und zur äußeren Schleife zurückgekehrt. Hier wird geprüft, ob der Wert von j dem Wert von k entspricht und somit alle Gruppen abgearbeitet wurden.
Wird die Abfrage mit„nein“ beantwortet, wird der Wert von j um 1 erhöht, also die nächste Gruppe betrachtet. Die Rekursion startet erneut.
Wird die Abfrage mit„ja“ beantwortet, sind alle erforderlichen Berechnungen durchge- führt worden. Der Ablauf endet.
In Fig. 3 ist eine beispielhafte Darstellung einer erfindungsgemäß ermittelten Impuls- verteilung für k=5 gezeigt.
Auf der x-Achse ist die Zeit, in diesem Fall eine Taktperiode T aufgetragen.
Auf der y-Achse ist der Strom der regelbaren Stromquelle 6 aufgetragen.
Im eingeschalteten Zustand fließt der Strom i=imax, im ausgeschalteten Zustand ist i=0.
Anhand der dargelegten Berechnungsmethode für aj = a1 ... a5 ergeben sich anhand des unter Fig. 1 erläuterten Berechnungsmodells die Bezugszeitpunkte
Figure imgf000016_0001
Ausgehend von diesen Bezugszeitpunkten werden der Einschaltzeitpunkt und Aus- schaltzeitpunkt des Impulses für jede Leuchtdiode einer jeden Gruppe
Figure imgf000016_0002
ermittelt, indem die unter Fig. 1 angegebenen Formeln für die Berechnung verwendet werden.
Das vorliegende Beispiel zeigt einen Impuls für jede der 5 Gruppen. Dies würde be- deuten, dass nur eine Leuchtdiode in jeder Gruppe vorhanden wäre. In der Praxis wird eine Vielzahl von Leuchtdioden einer Gruppe zugeordnet. Die Annahme, dass eine Leuchtdiode jeder der k Gruppen zugeordnet wird, dient ausschließlich einer besseren Übersichtlichkeit der Fig. 3. Durch die erfindungsgemäße Ermittlung der Bezugszeitpunkte und die Berechnung des Einschaltzeitpunktes und des Ausschaltzeitpunktes wird eine gleichmäßige Vertei- lung der Impulse über eine Taktperiode erreicht.
In der Realität werden eine Vielzahl von Leuchtdioden LED11,LED12, ... eines Leuchtdi- odenfeldes 2 jeder Gruppe zugeordnet. Jede dieser Leuchtdioden hat jeweils einen Impuls zur Einstellung der gewünschten Helligkeit.
Daraus ergibt sich, dass der benötigte Strom innerhalb einer Taktperiode nicht kon- stant i=imax oder i=0 ist sondern so eingestellt werden muss, wie es der Strombedarf der eingeschalteten Leuchtdioden vorgibt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es den Maximalstrom innerhalb der Schaltungsan- ordnung zu reduzieren und den Stromverlauf zu harmonisieren.
Fig. 4 zeigt eine simulierte Stromverteilung bei einer unterschiedlichen Anzahl von Gruppen für eine reale Helligkeitsverteilung. In dem vorliegenden Fall wird die Anzahl der k Gruppen nicht ermittelt, sondern eine Gegenüberstellung von unterschiedlichen Anzahlen vorgenommen, um den Einfluss der Gruppenanzahl k auf die Stromvertei- lung zu verdeutlichen.
Die Einschaltzeitpunkte und die Ausschaltzeitpunkte werden anhand der unter Fig. 1 beschriebenen Formeln berechnet.
Es handelt sich bei der Simulation um eine reale Anordnung mit mehreren Tausend Leuchtdioden, die den unterschiedlichen Gruppen gemäß den in Fig. 1 dargestellten Kriterien zugeordnet werden.
Hierbei zeigt
L1 den Stromverlauf für k=1 , wenn alle Leuchtdioden bei a1 = 0 eingeschaltet werden, L2 den Stromverlauf für k=2, wobei a1 = 0, a2 = T angenommen wird, L3 den Stromverlauf für k=3, wobei angenommen wird,
Figure imgf000018_0001
L4 den Stromverlauf für k=5, wobei angenom-
Figure imgf000018_0002
men wird.
Es wurde der Strom imaxdimensionslos mit imax=1 angenommen.
Als Ergebnis ist hier erkennbar, dass der Maximalstrom mit einer zunehmenden An- zahl von Gruppen deutlich reduziert und der Stromverlauf abgeflacht und kontinuierli- cher wird. Die Reduktion des Strommaximums wird jedoch mit einer zunehmenden Anzahl von k kleiner, was die dargestellte Ermittlung der benötigten Anzahl von Grup- pen in seiner Wichtigkeit unterstreicht. Für die Realisierung muss hier insbesondere eine Aufwand/Nutzen-Abwägung mit Hilfe der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste
1 Steuer- und/oder Regelungsmittel
2 Leuchtdiodenfeld
3 Ausgänge
4 steuerbare Schaltelemente
5 Schaltungsanordnung
6 Stromquelle
7 Einheit zur Ermittlung der Bezugszeitpunkte
8 Steuergerät
9 Eingang
LED11,LED12, ... Leuchtdioden
Einschalt- bzw. Ausschaltzeitpunkt
Figure imgf000019_0001
aj = a1 ... ak Bezugszeitpunkte

Claims

Steuer- und/oder Regelungsmittel, Schaltungsanordnung und Verfahren zur Re- duzierung des Strommaximums in einem Leuchtdiodenfeld Patentansprüche
1. Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 ), zum Steuern und/oder Regeln eines
Leuchtdiodenfeldes (2) mit n LEDs, wobei n>2 ist, mit Ausgängen (3) an de- nen Steuer- und/oder Regelsignale zum Steuern und/oder Regeln von steu- erbaren Schaltelementen (4) abgreifbar sind,
wobei mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 )
- Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte von
Figure imgf000020_0001
Impulsen durch die Steuersignale und/oder Regelsignale definierbar sind,
- ein und/oder mehrere steuerbare Schaltelemente (4) während der er- mittelten Impulse zum Schließen oder Öffnen ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Anzahl von k Gruppen festlegbar ist,
- jede LED einer der k Gruppen zugeordnet wird, so dass jede der k Gruppen mj Leuchtdioden enthält, wobei
Figure imgf000020_0002
ist,
- für jede Gruppe ein Bezugszeitpunkt aj = a1 ... ak bestimmbar ist,
- der Ein- und der Ausschaltzeitpunkt des Impulses für
Figure imgf000020_0003
jede LED einer jeden Gruppe in Abhängigkeit von dem Bezugszeit- punkt aj = a1 ... ak ermittelbar ist, wobei 1 £ pj £ mj ist.
2. Steuer und/oder Regelungsmittel (1 ), nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung jeder LED zu einer der k Gruppen so erfolgt, dass benachbarte LEDs unterschiedlichen Gruppen zu- geordnet sind.
3. Steuer und/oder Regelungsmittel (1 ), nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugszeitpunkte aj = a1 ... ak zufällig wählbar ist.
4. Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 ), nach Anspruch 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugszeitpunkte aj = a1 ... ak folgender- maßen ermittelbar sind:
k=1 : a1 ist frei wählbar,
k=2: a1 = 0 , a2 = T,
Figure imgf000021_0001
mit i = 1 ... k— 2,
wobei T eine Taktperiode ist.
5. Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 ), nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschaltzeitpunkt des Impulses
Figure imgf000021_0002
für jede LED einer Gruppe in Abhängigkeit von a berechenbar ist nach der Formel:
Figure imgf000021_0003
wobei
— aj = a1 ... ak ist,
- = Pulsbreite der p. Leuchtdiode in der j. Gruppe in % von T ist.
Figure imgf000021_0004
6. Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 ), nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschaltzeitpunkt des Impul-
Figure imgf000021_0005
ses für jede LED einer Gruppe in Abhängigkeit von a berechenbar ist nach der Formel:
Figure imgf000021_0006
wobei
— aj = a1 ... ak ist,
- = Pulsbreite der p. Leuchtdiode in der j. Gruppe in % von T ist.
Figure imgf000021_0007
7. Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 ), insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdiodenfeldes (2) mit n LEDs, mit Ausgängen (3) an denen Steuer- und/oder Regelsignale zum Steuern und/oder Regeln von steuerbaren Schaltelementen (4) abgreifbar sind, wobei mit dem Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 )
- Einschaltzeitpunkte und/oder Ausschaltzeitpunkte von
Figure imgf000022_0001
Impulsen durch die Steuersignale und/oder Regelsignale definierbar sind,
- ein und/oder mehrere steuerbare Schaltelemente (4) während der er- mittelten Impulse zum Schließen oder Öffnen ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Mittelwert MPW aller Pulsbreiten PWi berechenbar ist, nach der Formel
Figure imgf000022_0002
- in Abhängigkeit des Mittelwertes MPW eine Anzahl von k Gruppen festlegbar ist, nach der Formel
Figure imgf000022_0003
- jede LED einer der k Gruppen zugeordnet wird.
8. Verfahren zum Programmieren eines Steuer- und/oder Regelungsmittels (1 ) mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7,
wobei das Verfahren wenigstens die nachfolgenden Schritte aufweist:
- geforderte Helligkeitsverteilungen, die mit dem Leuchtdiodenfeld (2) erzielt werden sollen, werden in einer Simulation nachgebildet,
- die Impulse der einzelnen LED einer Gruppe für die geforderte Hel- ligkeitsverteilung werden anhand der Simulation bestimmt,
- für unterschiedliche Gruppenanzahlen wird eine Stromverteilung im Leuchtdiodenfeld (2) aufgrund der Impulse simuliert,
- eine optimale Anzahl von k Gruppen wird anhand der Stromverteilun- gen bestimmt,
- die aufgrund der Simulation ermittelten Angaben werden an das
Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 ) übergeben.
9. Schaltungsanordnung (5), zum Steuern und/oder Regeln eines Leuchtdio- denfeldes (2), aufweisend
- ein Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 ) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7,
- eine Stromquelle (6) für jede LED,
- ein Leuchtdiodenfeld (2),
wobei das Leuchtdiodenfeld (2) wenigstens zwei Reihenschaltungen um- fasst, die jeweils wenigstens eine Leuchtdiode und ein steuerbares Schalt- element (4) umfassen, wobei ein Steueranschluss jedes steuerbaren Schaltelements (4) mit einem Ausgang (3) des Steuer- und/oder Rege- lungsmittels (1 ) verbunden ist.
10. Schaltungsanordnung (5) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Stromquelle (6) der Schaltungsanordnung (5) durch das Steuer- und/o- der Regelungsmittel (1 ) regelbar ist, wobei der Strom bei geschlossenem steuerbaren Schaltelement i=imax und bei geöffneten steuerbaren Schaltele- ment i=0 ist.
11. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (5) mit den Merkma- len des Anspruchs 9,
wobei das Verfahren wenigstens die nachfolgenden Schritte aufweist:
- eine Anzahl von k Gruppen werden von dem Steuer- und/oder Rege- lungsmittel (1 ) ermittelt oder an das Steuer- und/oder Regelungsmit- tel (1 ) übergeben oder zufällig bestimmt,
- jede LED wird einer Gruppe zugeordnet,
- für jede Gruppe wird ein Bezugszeitpunkt aj = a1 ... ak festgelegt,
- der Ein- und der Ausschaltzeitpunkt des Impulses für
Figure imgf000023_0001
jede Leuchtdiode einer jeden Gruppe werden in Abhängigkeit von dem Bezugszeitpunkt aj = a1 ... ak ermittelt - das Steuer- und/oder Regelungsmittel (1 ) steuert die steuerbaren Schaltelemente (4) für den ermittelten Einschaltzeitpunkt und den er- mittelten Ausschaltzeitpunkt des Impulses für jede
Figure imgf000024_0001
Leuchtdiode einer jeden Gruppe zum Schließen oder Öffnen an.
12. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (5) mit den Merkma- len der Ansprüche 9,
wobei das Verfahren wenigstens die nachfolgenden Schritte aufweist:
- ein Mittelwert MPW aller Pulsbreiten PWi wird nach der Formel
berechnet.
Figure imgf000024_0002
- in Abhängigkeit des Mittelwertes MPW wird eine Anzahl von k Grup- pen nach der Formel festgelegt,
Figure imgf000024_0003
- jede LED wird einer der k Gruppen zugeordnet.
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