DE19950135A1 - Ansteuerschaltung für LED und zugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents

Ansteuerschaltung für LED und zugehöriges Betriebsverfahren

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DE19950135A1 DE19950135A DE19950135A DE19950135A1 DE 19950135 A1 DE19950135 A1 DE 19950135A1 DE 19950135 A DE19950135 A DE 19950135A DE 19950135 A DE19950135 A DE 19950135A DE 19950135 A1 DE19950135 A1 DE 19950135A1
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Abstract

Ansteuerschaltung für ein LED-Array, bestehend aus mindestens zwei Strängen von LEDs, wobei ein Strang aus mehreren in Serie angeordneten LEDs besteht, die an eine Versorgungsspannung (U¶Batt¶) angeschlossen sind, wobei zwischen jedem LED-Strang und der zugehörigen Versorgungsspannung ein Halbleiterschalter (T) in Serie angeordnet ist, der es ermöglicht, den LED-Strom getaktet zuzuführen, wobei im Zweig für den Durchlaßstrom I¶F¶ zwischen LEDs und Masse ein Meßwiderstand (R¶Shunt¶) in Serie zu den LEDs angeordnet ist. Ein Regelkreis regelt den Halbleiterschalter (T1) eines ersten LED-Strangs, im folgenden Master-Strang genannt, so, daß ein konstanter Mittelwert des LED-Stroms erzielt wird, wobei der Master-Strang eine vorgegebene Anzahl X von LEDs in seinem Strang aufweist, wobei dieser Regelkreis auch zumindest den Halbleiterschalter (T2) eines weiteren LED-Strangs, im folgenden Slave-Strang bezeichnet, ansteuert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Ansteuerschaltung für LED und zugehöriges Betriebsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es geht dabei insbesondere um die Reduzierung der Ansteuerverlustleistung bei Leuchtdioden (LEDs) mittels einer getakteten LED-Ansteuerschaltung.
Stand der Technik
Bei der Ansteuerung von Leuchtdioden (LEDs) werden in der Regel Vorwiderstände zur Strombegrenzung eingesetzt, siehe beispielsweise US-A 5 907 569. Ein typischer Spannungsabfall an Leuchtdioden (UF) liegt bei einigen Volt (beispielsweise ist bei Power TOPLED UF = 2,1 V). Der bekannte Vorwiderstand Rv, in Reihe zur LED (siehe Fig. 1 der DE-A 199 30 174.3), erzeugt besonders dann eine hohe Verlustleistung, wenn die Batteriespannung UBatt hohen Spannungsschwankungen (wie im Kfz üblich) unterliegt. Der Spannungsabfall an der LED bleibt auch bei derartigen Spannungsschwankungen noch (→ entfallt) konstant, d. h. die restliche Spannung fällt am Vorwiderstand Rv ab. Somit wird Rv abwechselnd mehr oder weniger stark belastet. In der Praxis werden meist mehrere LEDs in Reihe (Strang) geschaltet, um eine bessere Effizienz in der Ansteuerung zu erreichen (Fig. 2 der DE-A 199 30 174.3). Je nach Bordnetz (12 V oder 42 V) können dementsprechend viele LEDs zu einem Strang zusammengefaßt werden. Im 12 V-Bordnetz gibt es eine untere Grenze der Batteriespannung UBatt, bis zu der gesetzlich vorgeschriebene Sicherheitseinrichtungen (z. B. Warnblinkanlage) funktionsfähig sein müssen. Sie beträgt 9 Volt. D. h. es können hier bis zu 4 Power TOPLEDs zu einem Strang zusammengefaßt werden (4 × 2,1 V = 8,4 V).
In der DE-A 199 30 174.3 ist weiterhin eine Reduzierung der Ansteuerverlustleistung bei Leuchtdioden (LEDs) mittels getakteter LED-Ansteuerung beschrieben. Bei dieser Ansteuerung der LEDs wird jeder einzelne LED-Strang für sich selbst stromgeregelt. Dies führt zu größtmöglicher Sicherheit (intelligenter LED- Treiberbaustein, siehe Fig. 4 der DE-A 199 30 174.3). Für die Ausleuchtung einer größeren Fläche - wie dies bei Kfz-Heckleuchten der Fall ist - wird mit dieser Technik jedoch eine größere Zahl von LED-Treiberbausteinen benötigt, was erhebliche Kosten verursacht. Die Anzahl der LED-Treiberbausteine hängt von zwei Faktoren ab:
Je kleiner die verfügbare Versorgungsspannung Uv für den LED-Strang ist, desto größer ist die Anzahl der benötigten Stränge.
Je größer die Durchflußspannung UF der LEDs, die für einen LED-Strang eingesetzt werden sollen, ist, desto weniger LEDs können in einem Strang eingesetzt werden.
Je mehr LED-Treiberbausteine notwendig werden, desto mehr Kosten entstehen.
Die Anforderungen, die an eine LED-Ansteuerung wie in DE-A 199 30 174.3 beschrieben gestellt werden, werden natürlich aufrechterhalten, z. B. Möglichkeit der Temperaturregelung und der Fehlererkennung im LED-Strang.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ansteuerschaltung für LED gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die einfacher und damit erheblich kostengünstiger ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Das Grundprinzip der vorliegende Erfindung ist eine Kaskadierung der vorbekannten Ansteuerung. Eine LED-Ansteuerung nach dem Konzept der DE-A 199 30 174.3 wird dahingehend vereinfacht, daß der grundsätzliche Ansteuertakt durch die Uhr (Clock, CLK) des. Transistors T1 eines ersten übergeordneten LED- Stranges, der im folgenden "Master" genannt wird, am Ausgang des Komparators des zugehörigen Regelkreises bestimmt wird und dieser Takt auch für weitere untergeordnete LED-Stränge (Slaves) zur Verfügung gestellt wird (Fig. 1). Seriell zu den LEDs liegende Widerstände RSSn stellen optionale zusätzliche Shuntwiderstände RShunt dar. Sie sind im Betrieb nicht unbedingt notwendig, da ihre Werte sehr klein gewählt werden (etwa RSS1 = 1Ω) und den eingestellten Durchlaßstrom IF nicht beeinträchtigen. Wenn aber eine Unterbrechungserkennung in den Slave-Strängen stattfinden soll (s. u.), sind sie unerläßlich.
Mit diesem Konzept kann die Ausleuchtung einer beliebig großen Fläche im Prinzip mit einem einzigen Regelkreis erreicht werden. Es handelt sich hier um eine sog. Master-Slave-Stromregelung, wobei der Master-Strang den Takt (CLK) vorgibt und alle zusätzlichen LED-Stränge (Slave-Stränge) mit dem Mastertakt angesteuert werden.
In der einfachsten Ausführungsform wird nur ein Master-Strang verwendet. Diese Lösung ist besonders kostengünstig. Dabei ist allerdings vorteilhaft darauf zu achten, daß die Anzahl der LEDs in den Slave-Strängen gleich groß wie im einzigen Master-Strang ist. Ansonsten würden Unterschiede in der Helligkeit bzw. auch in der Leuchtdichte auftreten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Anzahl der LEDs in den Strängen variiert werden. Dabei gibt es zwei verschiedene Ausführungsformen, um LED-Stränge anzusteuern, die eine unterschiedliche Anzahl von LEDs aufweisen (z. B. wenn die Anzahl der LEDs im Master-Strang größer ist):
Es wird in einer ersten Variante zusätzlich jeweils ein serieller Verbraucher (Widerstand, Z-Diode, o. ä.), insbesondere ein serieller Vor-Widerstand Rxn, in den n-ten Slave-Strang geschaltet, der die fehlende Leuchtdiode (bzw. Leuchtdioden)- ersetzt. Dabei wird der Ansteuertakt desjenigen LED-Strangs als Master-Clock verwendet, der die größte Anzahl von Leuchtdioden treibt (Fig. 2). Die Zahl der LEDs in den anderen Strängen (Slave-Stränge) kann dabei gleich groß oder kleiner gewählt werden. Vorteilhaft ist sie lediglich um bis zu 30% kleiner als die im Master- Strang, um die Verluste nicht zu groß werden zu lassen.
Es werden in einer zweiten Variante ein oder mehrere zusätzliche LED-Regelkreise (zweiter bzw. dritter, usw. Masterregelkreis) im LED-Ansteuerbaustein (IC) integriert, deren LED-Strang mit einer geringeren Anzahl von LEDs arbeitet als der erste Master-Strang. Die Batteriespannung UBatt ist dabei mit allen Transistoren T verbunden. Der Ansteuertakt des zweiten Masterregelkreises (CLK 2) wird dann der Gruppe von Slave-Strängen mit der entsprechenden, geringeren Anzahl von LEDs zur Verfügung gestellt (Fig. 3). Diese Ausführungsform eignet sich für Gruppen von LED-Strängen mit jeweils gleicher Anzahl LEDs.
Bevorzugt wird auch die Ausfallsicherheit eines Master-Stranges verbessert. Denn wenn der Master durch irgendwelche Umstände ausfällt (z. B. Unterbrechung), steht der Master-Clock für alle daran angeschlossenen Slaves nicht mehr zur Verfügung. Die Slaves werden nicht mehr angesteuert und müssen dann zum Schutz vor Zerstörung ebenfalls abgeschaltet werden.
Vorteilhaft wird daher einer der Slave-Stränge als Reserve-Master-Strang ausgelegt. Dies bedeutet, daß ein Mittel zur Unterbrechungserkennung im Regelkreis des Masterstrangs vorhanden ist, das seinerseits mit einem Umschalter im Regelkreis verbunden ist, wobei der Umschalter einerseits mit dem Master- Strang, andererseits mit dem Reserve-Master-Strang, verbunden ist. Bei Ausfall des Masters wird dann auf den Reserve-Master-Strang umgeschaltet (Fig. 4). Durch diese Redundanz ist sichergestellt, daß im Falle einer fehlerhaften Arbeitsweise (Unterbrechung) des Masters sofort auf den Reserve-Master umgeschaltet wird. Somit ist sichergestellt, daß die angeschlossenen Slaves (nicht gezeigt) weiterhin ihren Ansteuertakt (Master-Clock) für den Betrieb erhalten.
Bevorzugt wird der Reserve-Master als Slave genutzt, solange der Master 1 regulär arbeitet.
Bevorzugt wird auch die Fehlererkennung (Fehlfunktion) im LED-Strang verbessert. Die häufigsten Fehlerarten sind Unterbrechung und Kurzschluß. Ein Ausfall bei LEDs bedeutet immer Unterbrechung. In diesem Fall bedeutet es eine Unterbrechung im LED-Strang, d. h. zumindest eine LED ist ausgefallen.
Es kann aber trotzdem ein Kurzschluß vorkommen, und zwar im Sinne der Unterbrechung der elektrischen Verbindungsleitung zwischen LED-Anode (A1) und Masse (GND), siehe Fig. 5. Speziell für den Einsatz in Automobilen (z. B. eine Rückleuchte, bestehend aus LEDs) muß diese Fehlerart detektiert werden, damit dann im Fehlerfall entsprechende Gegenmaßnahmen, wie sofortiges Abschalten des LED-Treiberbausteins oder nur des kurzgeschlossenen Lastkreises (LED- Strang), eingeleitet werden können. Der Fehlerfall "Kurzschluß" kann zum Beispiel durch einen Auffahrunfall verursacht werden, bei dem die Rückleuchte beschädigt wird.
Eine Fehlererkennung in allen Strängen ist daher sehr empfehlenswert. Zu diesem Zweck sind im Treiberbaustein (IC) Detektor-Eingänge für die Slave-Stränge notwendig, und zwar bevorzugt ein erster Eingang für die Unterbrechungserkennung (Fig. 5, OL) und ein zweiter Eingang für die Kurzschlußerkennung (SC in Fig. 5). OL steht für "Open Load" (Unterbrechung), während SC für Short Circuit (Kurzschluß) steht.
Die Gesamtzahl der Detektor-Eingänge richtet sich nach der Zahl der Slave- Stränge, die überwacht werden sollen. Im Normalfall sind pro Slave-Strang zwei Eingänge am Baustein erforderlich.
Die grundsätzlichen Elemente einer LED-Ansteuerschaltung sind in der DE-A 199 30 174.3 beschrieben. Jetzt kommen gemäß Fig. 5 Elemente für den Betrieb gemäß dem Master-Slave-Verfahren hinzu. Der Vollständigkeit halber sollen alle genannt werden:
Konstantstromregelung des Durchlaßstroms (IF = const.) bei LEDs
externe und damit flexible Durchlaßstromeinstellung
kleine Verlustleistung durch Schaftbetrieb (Entfallen des großen Vorwiderstandes Rv)
Unterbrechungserkennung im LED-Strang
Kurzschlußerkennung am LED-Strang
Temperaturregelung zum Schutz der LEDs
Flexibilität bei der Ansteuerung von LEDs verschiedener Anzahl in den Strängen durch einen zweiten LED Masterregelkreis
Ansteuertaktausgang (Clockausgang) des Masters 1 und des Masters 2 für die dazugehörigen Slave-Stränge gleicher Anzahl von LEDs
Erhöhung der Sicherheit durch Master-Umschaltung
Logikansteuerung (microcontroller-kompatibler ENABLE-Eingang)
geringe Eigenstromaufnahme der Ansteuerschaltung in Betrieb und im Standby- Mode
verpolfest (in IC integriert oder extern durch Steckerkodierung realisierbar)
Überspannungsschutz
kompaktes Gehäuse (z. B. Power SO-Gehäuse für SMD-Technik)
Temperaturbereich -40°C ≦ Tj ≦ 150°C
42 V Kfz-Bordnetz (auch für 12 V Kfz-Bordnetz realisierbar).
Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 das Grundprinzip einer getakteten Stromregelung für LED nach dem Master-Slave-Prinzip
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung mit unterschiedlicher Anzahl von LEDs in einzelnen Strängen
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung mit zwei Master-Strängen
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung mit Reserve-Master-Strang
Fig. 5 Prinzip eines Blockschaltbilds einer LED-Ansteuerschaltung einer getakteten Stromregelung für LED
Fig. 6 LED-Ansteuerschaltung ohne Fehlererkennung
Fig. 7 LED-Ansteuerschaltung mit kompletter Fehlererkennung
Beschreibung der Zeichnungen
Die Fig. 1 bis 5 wurden bereits oben beschrieben.
Die schematische Anwendungsschaltung in Fig. 6 ist ohne Fehlererkennung für die Slave-Stränge dargestellt. Details sind in Fig. 8 der DE-A 199 30 174.3 dargestellt. Die Slave-Stränge werden gruppenweise durch den dazugehörigen Master-Strang, der geregelt ist, gesteuert. Für den Fall, daß in einer Applikation auf eine Fehlererkennung verzichtet werden kann, ist bzw. sind die Detektoreingänge (OL und SC) der Slave-Stränge auf ein festes Potential (z. B. HIGH) zu legen.
Anders hingegen bei Fig. 7. Hier werden auch die Detektoreingänge OL und SC für die Fehlererkennung in den Slave-Strängen genutzt.

Claims (7)

1. Ansteuerschaltung für ein LED-Array, bestehend aus mindestens zwei Strängen von LEDs, wobei ein Strang aus mehreren in Serie angeordneten LEDs besteht, die an eine Versorgungsspannung (UBatt) angeschlossen sind, wobei zwischen jedem LED-Strang und der zugehörigen Versorgungsspannung ein Halbleiterschalter (T) in Serie angeordnet ist, der es ermöglicht, den LED-Strom getaktet zuzuführen, wobei zumindest bei einem ersten LED-Strang im Zweig für den Durchlaßstrom IF, insbesondere zwischen LEDs und Masse, ein Mittel zum Messen des Stroms IF, insbesondere ein Meßwiderstand (RShunt), in Serie zu den LEDs angeordnet ist, wobei ein Regelkreis den Halbleiterschalter (T1) des ersten LED-Strangs, im folgenden Master-Strang genannt, so regelt, daß ein konstanter Mittelwert des LED- Stroms erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Master-Strang eine vorgegebene Anzahl X von LEDs in seinem Strang aufweist, wobei dieser Regelkreis auch zumindest den Halbleiterschalter (T2) eines weiteren, zweiten LED-Strangs, im folgenden als Slave-Strang bezeichnet, ansteuert.
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle zusätzlich vorhandenen LED-Stränge jeweils die gleiche Anzahl X von LEDs wie der Master- Strang aufweisen, wobei der Regelkreis des Masterstrangs alle zusätzlichen LED- Stränge mitansteuert.
3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle zusätzlich vorhandenen n LED-Stränge eine Anzahl Xn LEDs aufweisen, wobei die Zahl Xn = X ist, und wobei ein zusätzlicher Verbraucher, insbesondere ein Widerstand Rxn, im LED-Strang in Serie zu den LEDs angeordnet ist, wenn Xn < X ist.
4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Gruppen von LED-Strängen, deren Anzahl LEDs unterschiedlich ist, jeweils ein Master-Strang zugeordnet ist, wobei die Anzahl X von LEDs in einer Gruppe von Slave-Strängen mit der im zugehörigen Master-Strang übereinstimmt.
5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Slave- Stränge als Reserve-Master-Strang ausgelegt ist, indem ein Mittel zur Unterbrechungserkennung im Flegelkreis des Master-Strangs vorhanden ist, das seinerseits mit einem Umschalter im Regelkreis verbunden ist, wobei der Umschalter einerseits mit dem Master-Strang, andererseits mit dem Reserve- Master-Strang, verbunden ist und dazu geeignet ist, bei Unterbrechung im Master- Strang auf den Reserve-Master-Strang umzuschalten.
6. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strang (Master- und Slavestrang) zusätzlich Mittel zur Fehlererkennung umfaßt.
7. Verfahren zum Betreiben mehrerer LED-Stränge oder Arrays, dadurch gekennzeichnet, daß ein LED-Strang (Master-Strang) mit einem Regelkreis, der eine Taktfrequenz vorgibt, ausgestattet ist, und daß mindestens ein weiterer LED- Strang (Slave-Strang) von dieser Taktfrequenz mitgesteuert wird.
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