Beschreibung

Ansteuerschaltung und Verfahren zur Ansteuerung von großflächigen HalbleiterIichtquellen .

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf die räumliche Schaltungs- anordnung zur Ansteuerung von großflächigen Halbleiterlichtquellen. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur effektiven Ansteuerung von großflächigen HalbleiterIichtquellen .

Stand der Technik

Heutzutage werden LED-Module üblicherweise mit einem ver- gleichsweise geringem Anteil an Treiberelektronik versehen. Um Kosten zu sparen und Synergien zu nutzen, wird der Großteil der Ansteuerelektronik in einem externen Betriebsgerät zusammengefasst , und auf dem LED-Modul befin ^¬ den sich lediglich eine Modul-Kodierung und einige für den Betrieb vorteilhafte Filter. Dies hat den Vorteil, dass ein Betriebsgerät für mehrere verschiedene LED- Module verwendet werden kann. Da das Betriebsgerät räum ^¬ lich nicht immer direkt am LED-Modul angeschlossen werden kann, sind die Leitungen zwischen der Ansteuerelektronik und dem LED-Modul oft vergleichsweise lang. Für normale Halbleiterlichtquellen stellt dies noch kein größeres Problem dar, da diese oftmals mit einem konstantem Strom betrieben werden. Bei Beleuchtungslösungen, die ein schnelles Ein- und Ausschalten der Halbleiterlichtquellen fordern treten jedoch Probleme verschiedener Art auf. Die langen Zuleitungen stellen eine parasitäre Kapazität und

Induktivität dar, die sich nachteilig auf das Betriebs ^¬ verhalten des Gesamtsystems auswirkt. Sobald die Be ^¬ triebselektronik die Information über die Temperatur der Leuchtdioden benötigt, ist ein zusätzlicher Temperatur- sensor auf dem LED-Modul notwendig, was den Verschal- tungsaufwand und die Kosten steigert. Für Gepulste Be ^¬ triebsverfahren ist die elektromagnetische Störstrahlung ein ernsthaftes Problem, das primär durch die langen Zuleitungen, die als Abstrahlantenne wirken, verursacht wird.

Aufgabe

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die räumliche Anordnung der Schaltungsanordnung so weiterzubilden, dass die obengenannten Nachteile vermieden werden.

Darstellung der Erfindung

Dies wird dadurch erreicht, dass die zugehörige Ansteuer ^¬ schaltung für die Leuchtdioden sehr nahe bei diesen angeordnet wird, um ein effizientes Betriebsverfahren durchführen zu können. Die Erfindung findet Vorzugsweise für sogenannte Hochleistungsleuchtdioden Verwendung, das sind Leuchtdioden mit gegenüber üblichen Leuchtdioden deutlich größerer Leuchtfläche und stark erhöhtem Stromverbrauch.

Moderne Hochleistungsleuchtdioden sind hochgezüchtete Lichtquellen, die mit einem speziellen Verfahren betrieben werden müssen, um allen Anforderungen an moderne Be- leuchtungs- und Projektionstechnik gerecht zu werden.

Speziell im Bereich der Projektionstechnik werden hochentwickelte Betriebsverfahren benötigt, um den Anforde ^¬ rungen an eine erhöhte Bildqualität zu erreichen. Die Hochleistungsleuchtdioden werden mit sehr steilflankigen und mitunter auch sehr kurzen Signalen (Pulsen) angesteuert (Pulsanstiegszeit kleiner oder gleich 3 μs, Pulslängen bis hinab zu 4 μs) . Zwischen diesen Pulsen befinden sich mehr oder weniger lange Pulspausen, in denen der Strom Null wird. Die gesamte Abfolge der Pulse und PuIs- pausen hintereinander wird hier als Pulszug bezeichnet. Die Signalabläufe müssen ebenso einen sehr hohen Dynamikumfang besitzen, so kann es vorkommen, dass der Ausgangsstrom innerhalb eines Pulses von einem maximalen Stromwert auf einen Stromwert, der 1% des maximalen Wertes entspricht, geschaltet werden muss. Solch ein Puls ist dann in mehrere Pulssegmente unterteilt. Um solche Sig ^¬ nalfolgen realisieren zu können, müssen die Einflüsse der Zuleitungen minimiert werden.

Dies gilt ebenso für die übergeordnete Regelcharakteris- tik. Die Hochleistungsleuchtdioden werden mit einer Hochauflösenden (>=8Bit Auflösung) Stromregelung betrieben. Dies ist notwendig um ein gleichmäßiges Lebensdauerver ^¬ halten der verschiedenen Hochleistungsleuchtdioden auf dem Modul zu gewährleisten. Bei kurz gehaltenen Stromzu- führungen und kurzem Feedback-Pfad arbeitet der Regler wesentlich stabiler und ist weniger anfällig auf Störungen .

Um diese notwendigen Vorraussetzungen zu Schaffen werden daher die Treiberschaltungen für die Hochleistungsleucht- dioden erfindungsgemäß direkt auf dem Modul integriert.

Die Anbindung an das Host-System erfolgt lediglich über

die Stromversorgung und ein digitales Interface zum Einstellen der Stromhöhen und des Timings.

Vorteilhafterweise sind die Treiberschaltungen so ange ^¬ ordnet dass die stromführenden Pfade zu den ihnen zuge- ordneten Hochleistungsleuchtdioden möglichst kurz sind.

Bei mehrfarbigen Anwendungen, wie sie in der Projektion gebraucht werden, können die Hochleistungsleuchtdioden und die zugehörigen Treiberschaltungen für alle Farben auf einem Modul integriert sein.

Bei sehr leistungsstarken Modulen kann es von Vorteil sein, einen oder mehrere systemweite Vor-Regler einzuset ^¬ zen. Die Vor-Regler liefern eine angepasste Leistung mit einer Spannung, die nur leicht über der Hochleistungs- leuchtdiodenspannung liegt. So können die Treiberschal- tungen effizient arbeiten und die Verlustleistung wird minimiert. Bei Mehrfarbigen Modulen kann z.B. für jede Farbe ein einzelner Vor-Regler eingesetzt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)

Fig. 1 Schnitt durch ein LED Modul auf einer Aluminiumkernplatine nach dem Stand der Technik

Fig. 2 Schnitt durch ein erfindungsgemäßes LED Modul mit Hochleistungsleuchtdioden und zugehörigen Treiberschaltungen auf einer Aluminiumkernplatine.

Fig. 3 Draufsicht des erfindungsgemäßen LED-Moduls

Fig. 4 Beispielhafte Pulsfolge einer bevorzugten Ausfüh- rungsform

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch ein bekanntes LED-Modul nach dem Stand der Technik. Die Hochleistungsleuchtdioden sind auf einer Aluminiumkernplatine montiert, um eine gu- te Wärmeableitung zu gewährleisten. Eine Aluminiumkernplatine besteht hauptsächlich aus einer Aluminiumplatte, auf die eine dünne Leiterplatte auflaminiert ist. Es kann aber anstatt Aluminium auch jedes andere thermisch gut leitfähige Material Anwendung finden. Auf diese Leiter- platte werden in einem Standardverfahren die Bauteile aufgelötet. Dadurch, dass die Leiterplatte sehr dünn ist, und die Hauptmasse des Moduls aus Aluminium oder einem anderen thermisch gut leitfähigen Material besteht wird eine sehr gute Wärmeableitung erreicht.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes LED-Modul, bei dem ne ^¬ ben den Hochleistungsleuchtdioden (1) auch die zugehörige Ansteuerelektronik (2) auf der Platine Platz findet. Dies hat mehrere Vorteile:

- Die Strompfade von der Ansteuerelektronik zu den Hoch- leistungsleuchtdioden sind sehr kurz, so dass sich gute

Regeleigenschaften und effiziente Betriebsverfahren realisieren lassen.

- Die Messung für die Stromregelung kann genauer ausgeführt werden, da die parasitären Effekte durch die kurzen Zuleitungen minimiert werden.

- Hochleistungsleuchtdioden und Treiberschaltungen unterliegen der gleichen Temperatur, so dass es wesentlich einfacher ist, Temperatureffekte in der Treiberschaltung

auszuregeln und eine überhitzung der Leuchtdioden zu vermeiden .

- Durch die gepulste Ansteuerung und die hohen Flankensteilheiten wird die elektromagnetische Verträglichkeit zum Problem. Die Kürze der Strompfade hilft zusätzlich, die elektromagnetische Abstrahlung zu minimieren.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Mo ^¬ duls. Die Treiberschaltungen (2) sind mit einem gewissen Mindestabstand zu den Hochleistungsleuchtdioden (1) plat- ziert, um optische Vorrichtungen, die über den Hochleis ^¬ tungsleuchtdioden (1) platziert werden nicht zu behindern. Durch die direkte Anbindung ist die Länge der Strompfade zu den Hochleistungsleuchtdioden (1) minimiert .

Fig. 4 schließlich zeigt eine beispielhafte Pulsfolge der bevorzugten Ausführungsform. Die Treiberschaltung kann einen Maximalstrom I _max und eine minimalen Strom I _min darstellen. Die Flankenan- und Abstiegszeiten sind mit t _R bzw. t _F bezeichnet. Die maximale Flankensteilheit ist im 1. Puls dargestellt und wird durch die Zeitspanne t _F rep ^¬ räsentiert, innerhalb derer der Hochleistungsleuchtdio- denstrom vom Maximalstrom zu null wird. t ₀ FF steht für die Zeitdauer zwischen zwei Pulsen, toN normalerweise für die Länge des Pulses minus der Dauer des Flankenanstiegs. Es kann aber auch vorkommen, dass ein Puls aus verschiedenen Stromwerten zusammengesetzt ist, wie im 1. Puls in Fig. 4 dargestellt. Hier besteht der Puls aus einem ersten Puls ^¬ segment mit der Einschaltzeit t ₀ Ni beim Strom I _Min und ei ^¬ nem zweiten Pulssegment mit der Einschaltzeit t ₀ N2 beim Strom I _M aχ.

Die bevorzugte Ausführungsform der Ansteuerschaltung besteht aus einem Längsregler, der mit dem gewünschten Pulszug ein- und ausgeschaltet wird. Der Längsregler wird mittels einer schnellen Logik angesteuert und kann so den Strom innerhalb eines Pulses schnell ändern und einstel ^¬ len. Bei Modulen größerer Leistung kann auch ein VorRegler eingesetzt werden, so dass die Verlustleistung im Längsregler minimiert wird.

Alternativ wäre auch ein Schaltregler denkbar, jedoch sind Schaltregler mit vorgenannten Reaktionszeiten aufwändig und teuer in der Ausführung.