DE19930174A1 - Ansteuerschaltung für LED und zugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents

Abstract

Die Ansteuerschaltung ist für ein LED-Array geeignet, bestehend aus mehreren Strängen von LEDs, wobei ein Strang aus mehreren in Serie angeordneten LEDs besteht, die an eine Versorgungsspannung (U¶Batt¶) angeschlossen sind. Zwischen LED und Versorgungsspannung ist ein Halbleiterschalter (Transistor T) in Serie angeordnet, der es ermöglicht, den LED-Strom getaktet zuzuführen. Zwischen LED und Masse ist ein Meßwiderstand R¶Shunt¶ für die Messung des LED-Stroms in Serie angeordnet, wobei ein Regelkreis den Halbleiterschalter so regelt, daß ein konstanter Mittelwert des LED-Stroms erzielt wird.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Ansteuerschaltung für LED und zugehöriges Be­ triebsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es geht dabei insbeson­ dere um die Reduzierung der Ansteuerverlustleistung bei Leuchtdioden (LEDs) mit­ tels 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 typi­ scher Spannungsabfall an Leuchtdioden (U_F) liegt bei einigen Volt (beispielsweise ist bei Power TOPLED U_F = 2,1 V). Der bekannte Vorwiderstand R_V, in Reihe zur LED (siehe Fig. 1), erzeugt besonders dann eine hohe Verlustleistung, wenn die Batteriespannung U_Batt hohen Spannungsschwankungen (wie im Kfz üblich) unter­ liegt. Der Spannungsabfall an der LED bleibt auch bei derartigen Spannungs­ schwankungen noch konstant, d. h. die restliche Spannung fällt am Vorwiderstand R_V ab. Somit wird R_V 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). Je nach Bordnetz (12 V oder 42 V) kön­ nen dementsprechend viele LEDs zu einem Strang zusammengefaßt werden. Im 12 V-Bordnetz gibt es eine untere Grenze der Batteriespannung U_Batt, bis zu der ge­ setzlich vorgeschriebene Sicherheitseinrichtungen (z. B. Warnblinkanlage) funkti­ onsfähig sein müssen. Sie beträgt 9 Volt. Das heißt es können hier bis zu 4 Power TOPLEDs zu einem Strang zusammengefaßt werden (4 × 2,1 V = 8,4 V).

Die Verlustleistung im Vorwiderstand wird in Wärme umgewandelt, was zu einer zusätzlichen Erwärmung - neben der Eigenerwärmung der LEDs im Strang - führt.

Das technische Problem besteht darin, die zusätzliche Erwärmung (Ansteuerver­ lustleistung durch die Vorwiderstände) zu eliminieren. Dafür gibt es mehrere Grün­ de. Zum ersten entstehen enorme Verluste im Vorwiderstand; dies kann bei größe­ ren LED-Arrays zu mehreren Watt Verlustleistung führen. Zum zweiten schränkt gerade diese Erwärmung durch Vorwiderstände den Betriebsbereich der LEDs ein. Bei einer erhöhten Umgebungstemperatur T_A muß der maximale Durchlaßstrom I_F = f (T_A) verringert werden, um die LEDs vor Zerstörung zu schützen. D. h. der maxi­ male Durchlaßstrom I_F darf nicht über den gesamten Bereich der Umgebungstem­ peratur von 0 bis 100°C konstant gehalten werden. Zusätzlich kommt beim Betrieb von LEDs mit Vorwiderständen noch als Problem die schwankende Versorgungs­ spannung hinzu, wie es bei Automobilen (Schwankung von 8 bis 16 V im 12 V- Bordnetz; Schwankung von 30 bis 60 V im zukünftigen 42 V-Bordnetz) häufig der Fall ist. Schwankende Versorgungsspannungen führen zu schwankenden Durchlaß­ strömen I_F, was dann unterschiedliche Leuchtdichten und damit verbunden Hellig­ keitsschwankungen bei den LEDs hervorruft.

Bisher wurden zur Begrenzung des Durchlaßstroms durch die LEDs immer Vorwi­ derstände eingesetzt. In den meisten Fällen wurde für alle Vorwiderstände eine ge­ meinsame Platine verwendet und diese, wenn möglich, in einem geeigneten Ab­ stand zu den LEDs montiert. Dieser Abstand wurde so ausgewählt, daß die Erwär­ mung der Vorwiderstände R_V keinen Temperatureinfluß auf die LEDs nahmen.

Ein weiteres Problem ist die Wahl des maximalen Durchlaßstroms I_F von LEDs. Beim Betrieb von LEDs mit Vorwiderständen R_V kann nicht der maximal zulässige Durchlaßstrom I_F gewählt werden, da bei einer höheren Umgebungstemperatur T_A der Durchlaßstrom verringert werden muß. Man wählt deshalb einen Durchlaßstrom I_F, der kleiner ist als der maximal zulässige (Fig. 3). Auf diese Weise wird zwar der Temperaturbereich zum Betreiben der LEDs vergrößert, aber der Durchlaßstrom I_F wird nicht optimal ausgenützt. Am Beispiel von Fig. 3 (Power TOPLED, Typ LA E675 der Fa. Siemens) sieht man den Durchlaßstrom I_F in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T_A. Der maximale Durchlaßstrom I_F darf hier 70 mA bis zu einer Umgebungstemperatur von 70°C betragen. Ab einer Umgebungstemperatur von 70°C muß dann der Durchlaßstrom I_F linear verringert werden bis er bei der maximal zulässigen Umgebungstemperatur von 100°C nur noch 25 mA beträgt. Für die optimale Ausnutzung dieser Betriebsweise von LEDs müßte ein variabler Vorwi­ derstand R_V eingesetzt werden.

Ein weiteres Problem sind Spannungsschwankungen. Bis jetzt gibt es keine An­ steuerschaltungen für LEDs, die sich im praktischen Einsatz befinden, um die Spannungsschwankungen und somit Durchlaßstromschwankungen (Helligkeits­ schwankungen) zu verhindern. Sie müssen daher notgedrungen toleriert werden.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ansteuerschaltung für LED gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die möglichst wenig Abwärme und Verlustleistung erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Um den Vorwiderstand R_V und damit die große Ansteuerverlustleistung zu eliminie­ ren, wird mit einer getakteten LED-Ansteuerung gearbeitet. Fig. 4a zeigt das Prin­ zip einer getakteten Stromregelung für LEDs. Ein Halbleiterschalter, beispielsweise ein strombegrenzender Leistungsschalter oder bevorzugt ein Transistor T (insbe­ sondere vom pnp-Typ, aber auch der npn-Typ ist geeignet, wenn zusätzlich eine Ladepumpe zur Ansteuerung verwendet wird), ist mit seinem Emitter an die Versor­ gungsspannung U_Batt (insbesondere Batteriespannung im Automobil) angeschlos­ sen. Ist der Transistor T leitend, fließt ein Strom i_LED durch den LED-Strang (der hier beispielsweise aus vier LEDs besteht), und zwar so lang, bis durch einen Kompa­ rator der Transistor T wieder abgeschaltet wird. Der Komparator ist mit seinem Aus­ gang an die Basis des Transistors angeschlossen. Der eine (positive) Eingang des Komparators ist an eine Regelspannung, der zweite (negative) Eingang des Kompa­ rators an einen Frequenzgenerator (bevorzugt Dreiecksgenerator mit Pulsdauer T_p und dementsprechend Frequenz 1/T_p, da dieser besonders gute elektromagnetische Verträglichkeit beisitzt, aber auch andere Pulsformen wie Sägezahn sind möglich) angeschlossen. Ist die aktuelle Amplitude der Dreiecksspannung U_D am Komparator größer als die Regelspannung U_Regel, wird der Transistor T eingeschaltet. Es fließt der Strom i_LED. Sinkt die aktuelle Amplitude der Dreiecksspannung unter den kon­ stanten Wert der Regelspannung U_Regel am Komparator, wird der Transistor T wie­ der ausgeschaltet. Dieser Rhythmus wiederholt sich regelmäßig mit der Frequenz f, mit der der Dreiecksgenerator arbeitet.

Auf diese Weise wird der über die LEDs fließende Strom getaktet (Fig. 4b). Die Rechteckpulse besitzen eine Pulsbreite, die einem Bruchteil von T_p entspricht. Der Abstand zwischen den ansteigenden Flanken zweier Pulse entspricht T_p.

Die LEDs liegen in Serie mit einem Mittel zum Messen des Stroms (insbesondere ein Meßwiderstand R_Shunt zwischen LEDs und Masse (Fall 1) oder auch zwischen Halbleiterschalter (Transistor T) und Klemme der Versorgungsspannung U_Batt (Fall 2)). Der getaktete Strom i_LED wird am Meßwiderstand R_Shunt abgegriffen. Anschlie­ ßend wird über ein Hilfsmittel der Mittelwert des Stroms i_LED gebildet. Das Hilfsmit­ tel ist beispielsweise ein Integrationsmittel (im Fall 1), bevorzugt ein RC-Tiefpaß, oder ein Differenzverstärker (im Fall 2). Dieser Mittelwert dient als IST-Wert für eine Stromregelung, der einem Regler (beispielsweise ein PI- oder PID-Regler) als Ein­ gangswert zur Verfügung gestellt wird. Ein SOLL-Wert, in Form einer Referenz­ spannung (U_Ref), für die Stromregelung wird ebenfalls dem Regler als zweiter Ein­ gangswert zur Verfügung gestellt. Die Regelspannung U_Regel am Ausgang des Reg­ lers wird vom Regler so eingestellt, daß der IST-Wert immer möglichst gut dem SOLL-Wert (spannungsmäßig) entspricht. Wenn sich bei Schwankungen die Ver­ sorgungsspannung U_Batt verändert, paßt sich auch die Einschaltdauer des Transi­ stors T und die Länge des Rechteckpulses (Fig. 4b) entsprechend an. Diese Technik an sich ist als PWM (Pulsweitenmodulation) bekannt.

Der Vorteil einer getakteten Stromregelung für LED-Stränge liegt vornehmlich im schnellen Ausgleich von Versorgungsschwankungen von U_Batt mittels PWM. Daher bleibt der Mittelwert des LED-Stroms (i_LED) konstant. Es gibt also keine Helligkeits­ veränderungen der LEDs bei Spannungsschwankungen mehr. Ein weiterer Vorteil ist der Schutz vor Zerstörung gegen überhöhte Temperatur, wie oben erläutert (in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T_A).

Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht vorteilhaft eine detaillierte Abfrage der Betriebszustände von einzelnen LED-Strängen. Dies ermöglicht die einfache Feh­ lererkennung (Abfrage auf Kurzschluß, Unterbrechung) durch sequentielles Abta­ sten (sog. LED-SCANNING) der einzelnen LED-Stränge.

Hinzu kommt, daß der bisher notwendige große Vorwiderstand R_V für die Einstellung des Strom für den LED-Strang entfällt. Als Beispiel sei eine Autobatterie mit 12 V genannt, an der ein LED-Strang mit vier LEDs des Typs Power TOPLED (U = 2,1 V typ.) angeschlossen ist. Damit ergäbe sich bei einer konventionellen Stromeinstel­ lung eine Verlustleistung im Stromeinstellungswiderstand R_V von etwa 250 mW. Dagegen ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Verlustleistung im Shuntwiderstand R_Shunt von lediglich etwa 5 mW (bei Stromeinstellung mit PWM), also eine Verringerung der Verlustleistung um den Faktor 50.

Ein weiterer Vorteil ist die einfache Strombegrenzung eines LED-Stranges unter Verwendung eines strombegrenzenden Halbleiterschalters (bevorzugt ein Transi­ stor). Als Schalter kann auch ein strombegrenzender Leistungsschalter dienen, der automatisch dafür sorgt, daß der getaktete Durchlaßstrom I_F einen maximalen Grenzwert nicht überschreitet, beispielsweise einen Grenzwert von 1 A.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist für unterschiedliche Anforderungen geeignet, beispielsweise für ein 12 V oder auch 42 V Bordnetz im Kfz.

Fig. 5 zeigt als Momentaufnahme ein Oszillogramm des getakteten Stromverlaufs der LED-Ansteuerschaltung für ein 12 V-Bordnetz. Es zeigt den Spitzenstrom i_LED durch die LEDs (Fig. 5a), der getaktet ist und etwa 229 mA erreicht. Die Pulsbreite ist etwa 30 µs, die anschließende Totzeit 70 µs. Daraus ergibt sich ein mittlerer Strom i_LED von 70 mA.

Des weiteren ist in Fig. 5b die zugehörige Taktfrequenz am Dreiecksgenerator gezeigt, seine Frequenz beträgt etwa 9,5 kHz (entsprechend etwa 100 µs Pulsbrei­ te). Die Regelspannung U_Regel ist als Gerade dargestellt (Fig. 5c), sie hat einen Wert von 3,2 V.

Der bisher notwendige große Vorwiderstand R_V zur Stromeinstellung ist somit ent­ fallen. Dieser wird durch einen kleinen Meßwiderstand in der Größenordnung von R_Shunt = 1Ω ersetzt.

Schwankungen der Versorgungsspannung U_Batt werden jetzt kompensiert und der Durchlaßstrom I_F läßt sich einfach konstant regeln. Denn wenn sich der Wert der Versorgungsspannung ändert, ändert sich ebenfalls die Regelspannung U_Regel und damit die Einschaltzeit des Transistors. Durch diese Pulsweitenmodulation, bei der eine Zunahme der Versorgungsspannung eine Verkürzung der Transistoreinschalt­ zeit bewirkt (umgekehrt gilt das gleiche), wird automatisch immer auf einen kon­ stanten Strom, der in Form einer Referenzspannung U_Ref am Regler eingestellt ist, geregelt (siehe Fig. 4a). Da also der Durchlaßstrom I_F im LED-Strang konstant ist, können sich auch keine Helligkeitsschwankungen bei veränderlichen Versorgungs­ spannungen mehr einstellen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht es, die Temperatur zu re­ geln. Nach Fig. 3 (am Beispiel der Power TOPLEDs) darf ja der maximale Durch­ laßstrom I_F von hier 70 mA nicht über den gesamten zulässigen Temperaturbereich (bis T_A = 100°C Umgebungstemperatur) konstant gehalten werden. Ab einer Umge­ bungstemperatur von T_A = 70°C muß der Durchlaßstrom I_F verringert werden und bei T_A = 100°C schließlich abgeschaltet werden. Zur Realisierung einer Temperatur­ regelung wird ein Temperaturfühler (bevorzugt in SMD-Bauform) auf die Platine im LED-Array mit aufgebracht und zwar an der zu erwartenden heißesten Stelle. Wird vom Temperaturfühler eine Umgebungstemperatur von mindestens T_A = 70°C ge­ messen, erfolgt eine Verringerung des Durchlaßstroms I_F, gemäß der Vorgabe im Datenblatt (Fig. 3). Bei einer Umgebungstemperatur T_A = 100°C wird der Durch­ laßstrom I_F abgeschaltet. Diese Maßnahme der Temperaturregelung ist erforderlich, um die Leuchtdioden vor thermischer Zerstörung durch Überhitzung zu schützen und somit ihre Lebensdauer nicht zu verkürzen.

Die Erkennung von Fehlfunktionen im LED-Strang fällt mit dieser Schaltungsanord­ nung leicht. Fällt ein LED-Strang in einem LED-Array (bestehend aus mehreren LED-Strängen) aus, kann es wichtig sein, diesen Ausfall sofort an eine Wartungs­ stelle zu melden. Besonders wichtig ist dies bei sicherheitstechnischen Einrichtun­ gen, z. B. bei Ampelanlagen. Auch im Automobilbereich (PKW, LKW) ist es wün­ schenswert, über den momentanen Zustand der LEDs informiert zu werden, bei­ spielsweise wenn die Rücklichter mit LEDs ausgerüstet sind.

Die bekanntesten Fehlerarten sind Unterbrechung und Kurzschluß. Die Fehlerart Kurzschluß kann bei LEDs praktisch ausgeschlossen werden. Wenn LEDs ausfal­ len, dann meistens durch eine Unterbrechung der Zuleitung. Eine Unterbrechung in einer LED ist vorwiegend auf Wärmeeinwirkung zurückzuführen. Die Ursache liegt in der Ausdehnung des Harzes (Epoxidharz als Teil des Gehäuses) unter Wärme­ einwirkung, so daß der darin eingebettete, sich unterschiedlich ausdehnende Bond­ draht (Verbindungsleitung zwischen LED-Chip und Außenpin) abbricht.

Eine andere Möglichkeit der Zerstörung wird ebenfalls durch Wärmeeinwirkung her­ vorgerufen. Durch zu große Hitze erweicht das Harz (also das Material, aus dem das Gehäuse besteht) und wird zähflüssig. Der Chip kann sich lösen und beginnt zu wandern. Dadurch kann der Bonddraht ebenfalls reißen.

Generell sind also durch starke Wärmeeinwirkung mechanische Defekte (wie Bond­ drahtriß) zu erwarten. Durch eine Schaltung zur Unterbrechungserkennung in einem LED-Strang ist es möglich, das Auftreten eines Fehlers an einen Ausgang (z. B. Status-Pin bei einem Halbleiterbaustein) zu signalisieren. Logisch 1 (high) bedeutet beispielsweise Auftreten eines Fehlers, Logisch 0 (low) bedeutet ordnungsgemäßer Zustand.

Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung läßt sich als kompakter LED- Ansteuerbaustein (IC) realisieren, der sich durch die Möglichkeit der Konstantstrom­ regelung des Durchlaßstroms (I_F = const.) bei LEDs auszeichnet. Weitere Vorteile sind die externe und damit flexible Durchlaßstromeinstellung, die kleine Verlustlei­ stung durch Schaltbetrieb (Entfallen des großen Vorwiderstandes R_V), die Unterbre­ chungserkennung im LED-Strang und die Temperaturregelung zum Schutz der LEDs. Hinzu kommt die geringe Eigenstromaufnahme der LED-Ansteuerschaltung (sparsamer Standby-Betrieb).

Im Standby-Betrieb bleibt der LED-Ansteuerbaustein an Dauerplus (Batteriespan­ nung im Kfz) angeschlossen, während er ausgeschaltet ist, d. h. es fließt kein Strom durch die LEDs. In diesem Zustand darf der Ansteuerbaustein nur geringen Eigen­ strom (Eigenstromaufnahme geht gegen 0) aufnehmen, um die Batterie im Kfz nicht zu belasten. Das ist der Fall, wenn das Auto z. B. in der Garage abgestellt oder ge­ parkt wird. Ein zusätzlicher Stromverbrauch würde hier die Batterie unnötig bela­ sten. Ein- und ausgeschaltet wird der LED-Ansteuerbaustein über einen Logik- Eingang (ENABLE-Eingang).

Die Schaltungsanordnung läßt sich außerdem verpolfest ausführen und gegen Überspannung sichern. Eine Verpolschutzdiode sorgt für den Fall eines verkehrten Anschlusses das LED-Ansteuerbausteins an die Versorgungsspannung (Batterie) vor dessen Zerstörung. Eine Kombination von einer Zenerdiode und einer normalen Diode schützt den LED-Ansteuerbaustein zusätzlich vor Zerstörung durch Über­ spannungen am Versorgungsspannungs-Pin U_Batt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich noch ein Micro­ controller-kompatibler ENABLE-Eingang (Logik-Eingang) bereitgestellt, der die An­ steuerung mit einem Microcontroller ermöglicht. Somit ist es möglich den Ansteuer­ baustein (insbesondere eine integrierte Schaltung IC) für LEDs in ein Bussystem zu integrieren (beispielsweise CAN-Bus im Kfz, Insta-Bus für Hausinstallationstechnik).

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher er­ läutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Ansteuerung für LEDs,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer bekannte Ansteuerung für LEDs,

Fig. 3 die Abhängigkeit des Durchlaßstroms einer LED von der Umgebung­ stemperatur,

Fig. 4 das Grundprinzip einer getakteten Stromregelung für LED (Fig. 4a) nebst einer Erläuterung des Spitzenstroms und Mittelwerts (Fig. 4b),

Fig. 5 den Stromverlauf einer getakteten Stromregelung für LED,

Fig. 6 eine getaktete Stromregelung mit Unterbrechererkennung,

Fig. 7 die Realisierung einer Unterbrechererkennung für einen LED-Strang,

Fig. 8 Blockschaltbild einer LED-Ansteuerschaltung.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 bis 5 wurden bereits oben beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel (gesamtes Blockschaltbild) für die Realisierung einer Un­ terbrechungserkennung zeigt Fig. 6. Die Detektion einer Unterbrechung im LED- Strang kann über die direkte Überwachung der Regelspannung U_Regel mittels eines Unterbrechungserkenners (siehe hierzu im Detail Fig. 7) erfolgen. Im Falle einer Unterbrechung ist die Regelspannung Null (U_Regel = 0). Über eine Auswerteschal­ tung A (Fig. 8) kann dieser Fehlerfall an einem Ausgang (Status-Pin) angezeigt werden.

Günstig ist es, diesen Ausgang als Open-Collector Schaltung auszuführen (Fig. 8), da dann der Anwender der Schaltung, der später den LED-Ansteuerbaustein (IC) verwendet, von der Ausgangssignalhöhe unabhängig ist. Die Schaltung des Status- Ausgangs besitzt als Endstufe einen Transistor, dessen Kollektor offen ist (also kei­ nen Pull-up-Widerstand besitzt). Der Kollektor des Transistors führt direkt an den Status-Pin des LED-Ansteuerbausteins (Fig. 8). Wird an den Kollektor des Transi­ stors T_OC ein externer Pull-up-Widerstand R_P angeschlossen, kann dieser mit einer beliebigen Spannung V_cc verbunden werden. Die Ausgangssignalhöhe hängt dem­ nach von der Spannung V_cc ab, an die der Pull-up-Widerstand R_P angeschlossen ist.

Die technische Realisierung einer Unterbrechungserkennung im LED-Strang ist in Fig. 7 gezeigt. Die Unterbrechungserkennung im LED-Strang funktioniert nach dem Prinzip des Abtastens (Scannen) einer Spannung (hier: Regelspannung U_Regel). Die Regelspannung U_Regel besitzt einen Minimalwert, der so groß ist wie die kleinste Spannung U_{D_min} des Dreiecksgenerators. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, liegt sie bei etwa 2 V. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Regelung aktiv ist und keine Unterbre­ chung im LED-Strang herrscht. Im Falle einer Unterbrechung im LED-Strang hat die Regelspannung den Wert 0 Volt (U_Regel = 0 V).

Fig. 7 zeigt das komplette Blockschaltbild der Unterbrechungserkennung im LED- Strang nach dem Prinzip des Abtastens einer Spannung. Vom internen Oszillator (OSZ), der mit einer bestimmten Frequenz läuft (hier: ca. 9,5 kHz), wird der Takt (als Rechteck-Spannung U_R) auf einen n-bit Binärzähler (COUNTER) gegeben. Je nachdem, wieviele LED-Stränge (und dementsprechend wieviele Regelspannungen U_Regel) abgetastet werden sollen, hat die Auslegung des Binärzählers zu erfolgen. Beispielhaft wird ein 3-bit-Binärzähler (für Adressen von 0 bis 7) verwendet. Mit ihm können also bis zu 8 Regelspannungen U_Regel abgetastet werden.

Das 3-bit-Binärmuster des Zählers steuert einen Analogmultiplexer (MUX), der (ab­ hängig vom anliegenden Binärwort) alle Regelspannungen U_{Regel1,2 . . .} nacheinander abtastet und sie der Reihe nach am Ausgang zur Verfügung stellt. Die kleinste Re­ gelspannung U_{Regel_min} (Regelung aktiv und keine Unterbrechung im LED-Strang) entspricht dem Minimalwert der Dreiecksspannung U_{D_min}.

Um ein "Low-Signal" der Regelspannung U_Regel (entsprechend 0 Volt, Unterbre­ chung im LED-Strang) erfolgreich zu detektieren und es für die anschließende Spei­ cherung in einem Speichermedium, beispielsweise einem Flip-Flop (FF) vorzube­ reiten, wird am Ausgang des Analogmultiplexers (MUX) ein Komparator (COMP) eingefügt. Dessen Umschaltschwelle U_SW muß kleiner sein als der Minimalwert der Dreiecksspannung U_D, also U_SW < U_{D_min}.

Wird jetzt ein "Low-Signal" bei einer abgetasteten Regelspannung U_Regel detektiert, wird am Komparatorausgang ein "High-Signal" gesetzt. Dieses High-Signal wird dann im Flip-Flop (FF) solange gespeichert, bis der Fehler (Unterbrechung im LED- Strang) wieder behoben ist.

Der Statusausgang (Status = Ausgang des FF) hat folgende Bedeutung:

High-Signal = Unterbrechung in einem LED-Strang
Low-Signal = keine Unterbrechung

Ein Reset des Flip-Flops FF und damit des Statusausgangs erfolgt erst, wenn der LED-Ansteuerbaustein ausgeschaltet wird, d. h. wenn eine Fehlerbehebung im LED- Strang stattfindet.

Das Rücksetzen (Reset) des Statusausgangs kann auf 2 Arten geschehen:

• - Ausschalten des LED-Ansteuerbausteins (IC) über ENABLE-Eingang. Der LED- Ansteuerbaustein (IC) ist über diesen Ausgang in einem System zusammen mit einem Microcontroller (µC) integriert (Fig. 8). Im Kfz-Bereich kann die Ansteue­ rung z. B. über CAN-Bus erfolgen.
• - Abklemmen der Versorgungsspannung am LED-Ansteuerbaustein (IC). Wird der ENABLE-Eingang nicht benötigt, ist dieser mit der Batteriespannung zu verbin­ den. In einfachen Systemen ohne Microcontroller-Ansteuerung ist diese Methode anzuwenden.

Die Schaltungsanordnung für Verpolfestigkeit und Überspannungsschutz ist eben­ falls in Fig. 8 (Blockschaltbild des LED-Ansteuerbaustein) dargestellt. Eine Verpol­ schutzdiode zwischen externer (U_Batt) und interner Spannungsversorgung sorgt für den Fall eines verkehrten Anschlusses des LED-Ansteuerbausteins an die Versor­ gungsspannung (Batterie) vor dessen Zerstörung. Der Überspannungsschutz wird mit einer Zenerdiode in Kombination mit einer gegengepolten Diode realisiert.

Der IC enthält außerdem einen Anschlußpin für einen Temperatursensor (beispiels­ weise ein NTC) und einen Pin für den Anschluß einer Stromreferenz sowie zwei Pins zum Anschluß des LED-Strangs.

Eine externe und damit flexible Einstellung (Programmierung) des Durchlaßstromes I_F eines LED-Strangs ist dadurch realisiert, daß erstens ein interner Pull-up- Widerstand R_i mit der internen Spannungsversorgung U_V des IC und mit einem Ein­ gang für eine LED-Stromreferenz verbunden ist, so daß ein externer Widerstand R_ext gegen Masse mit dem internen Pull-up-Widerstand R_i einen Spannungsteiler bildet und sich so die gewünschte Durchlaßstromstärke I_F einstellt, und daß zweitens am Eingang für die LED-Stromreferenz eine Gleichspannung, die bis zur maximalen Durchlaßstromstärke I_F eingestellt werden kann, zur Verfügung gestellt wird, die als Maß für die Durchlaßstromstärke I_F dient.

Eine Logikansteuerung des Bausteins (IC) ist dadurch realisiert, daß über einen Eingang (ENABLE) ein logischer Signalpegel (low oder high) den Baustein aus- oder einschaltet.

Eine Fehlermeldung über einen STATUS-Ausgang ist dadurch realisiert, daß dieser Ausgang einen offenen Kollektor ("Open Collector" für bipolare Integration) oder auch ein offenes Drain (Open Drain für CMOS Integration) besitzt und durch An­ schluß eines externen Pullup-Widerstandes R_P die Ausgangssignalhöhe für den Fehlersignalpegel (high-Signal) frei definiert werden kann.

Claims (19)

1. Ansteuerschaltung für LED und zugehöriges Betriebsverfahren, insbesondere für ein LED-Array, bestehend aus einem oder mehreren Strängen von LEDs, wobei ein Strang aus mehreren in Serie angeordneten LEDs besteht, die an eine Versor­ gungsspannung (U_Batt) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen LED-Strang und Versorgungsspannung ein Halbleiterschalter (T) in Serie angeord­ net ist, der es ermöglicht, den LED-Strom getaktet zuzuführen, und daß im Zweig für den Durchlaßstrom I_F, insbesondere zwischen LEDs und Masse, ein Mittel zum Messen des Stroms I_F, insbesondere ein Meßwiderstand (R_Shunt), in Serie zu den LEDs angeordnet ist, wobei ein Regelkreis den Halbleiterschalter (T) so regelt, daß ein konstanter Mittelwert des LED-Stroms erzielt wird.

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter­ schalter ein Transistor (T) ist.

3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis ein Integrationsglied umfaßt.

4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis einen Komparator umfaßt, der das Signal eines Frequenzgenerators mit der Re­ gelspannung (U_Regel) vergleicht.

5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis einen Regler umfaßt, der den IST-Wert des Mittelwertes des LED-Stroms mit einem Sollwert vergleicht.

6. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspan­ nung (U_Regel) von einem Mittel zur Unterbrechungserkennung überwacht wird.

7. Ansteuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere LED- Stränge dadurch überwacht werden, daß der Frequenzgeber (OSZ) seinen Takt auf einen Binärzähler gibt, der einen Analogmultiplexer (MUX) steuert, der die Re­ gelspannungen (U_{Regel1,2 . . .}) aller LED-Stränge abtastet.

8. Ansteuerschaltung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs­ signal des Multiplexers über einen Komparator (COMP) an ein Speichermedium (FF) gegeben wird.

9. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie als integrierter Baustein (IC) realisiert ist.

10. Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine externe und damit flexible Einstellung (Programmierung) des Durchlaßstromes I_F eines LED-Strangs dadurch realisiert ist, daß erstens ein interner Pull-up-Widerstand R_i mit der internen Spannungsversorgung (U_V) des Bausteins (IC) und mit einem Eingang für eine LED- Stromreferenz verbunden ist, so daß ein externer Widerstand (R_ext) gegen Masse mit dem internen Pull-up-Widerstand (R_i) einen Spannungsteiler bildet und sich so die gewünschte Durchlaßstromstärke I_F einstellt, und daß zweitens am Eingang für die LED-Stromreferenz eine Gleichspannung, die bis zur maximalen Durchlaß­ stromstärke I_F eingestellt werden kann, zur Verfügung gestellt wird, die als Maß für die Durchlaßstromstärke I_F dient.

11. Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Logikansteuerung des Bausteins (IC) dadurch realisiert ist, daß über einen Eingang (ENABLE) ein lo­ gischer Signalpegel (low oder high) den Baustein aus- oder einschaltet.

12. Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlermeldung über einen STATUS-Ausgang dadurch realisiert ist, daß dieser Ausgang einen offenen Kollektor ("Open Collector" für bipolare Integration) oder ein offenes Drain (Open Drain für CMOS Integration) besitzt und durch Anschluß eines externen Pullup- Widerstandes R_P die Ausgangssignalhöhe für den Fehlersignalpegel (high-Signal) frei definiert werden kann.

13. Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutz gegen Verpo­ lung bei Anschluß des Bausteins (IC) an eine Versorgungsspannung (z. B. Kfz- Batterie) dadurch realisiert ist, daß eine Verpolschutzdiode die internen Schaltkreise des Bausteins schützt.

14. Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutz gegen auftre­ tende Überspannungen am Eingang für die Versorgungsspannung dadurch reali­ siert ist, daß am Eingangs-Pin für die Versorgungsspannung (U_Batt) eine Kombinati­ on aus Zenerdiode und gegengepolter Diode wirksam ist.

15. Verfahren zum Betreiben einer LED, insbesondere eines LED-Stranges oder -Array, dadurch gekennzeichnet, daß der LED-Durchlaßstrom I_F mittels eines schnellen Halbleiterschalters (Transistor T) getaktet wird, und daß der IST-Wert des Mittel­ wertes des LED-Stroms mit einem externen Sollwert über einen Regler verglichen wird, wobei die Regelung durch Pulsweitenmodulation erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Reglers mit dem Signal eines Frequenzgenerators (OSZ), insbesondere eines Dreieckgenerators, verglichen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsignal von einem Mittel zur Unterbrechungserkennung, insbesondere einem Flip-Flop (FF) oder mittels LED-Scanning, überwacht wird.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine temperaturabhän­ gige Regelung des Durchlaßstrom der LEDs dadurch realisiert ist, daß über einen Sensoreingang ein temperaturfühlendes Element (insbesondere ein NTC) an­ schließbar ist und oberhalb eines bestimmten Schwellwerts der Umgebungstempe­ ratur T_A der Durchlaßstrom I_F nach einer vorgegebenen Kennlinie zurückgeregelt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betrieb der Schal­ tung mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen möglich ist, indem die interne Spannungsversorgung sich aus jeder Eingangsspannung (U_Batt) eine stabile interne Versorgungsspannung erzeugt.