Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für eine Leuchte, insbesondere einen LED-Kraftfahrzeugscheinwerfer,

- mit einem Eingang zum Anschluss an ein Versorgungsnetz, zum Beispiel ein Kraftfahrzeugbordnetz,

- mit einer einstellbaren Spannungsquelle, wobei die Spannungsquelle einen Eingang, einen Ausgang und einen Steueranschluss hat, und der Eingang an den Eingang der Schaltungsanordnung angeschlossen ist,

- mit einer Matrix aus LEDs, die an den Ausgang der Spannungsquelle angeschlossen ist und

- mit einer Steuereinheit, an die der Steueranschluss der einstellbaren Spannungsquelle angeschlossen ist,

- wobei die Schaltungsanordnung Reihenschaltungen aus wenigstens einer LED und einer einstellbaren Stromquelle aufweist, mit der der Strom durch die Reihenschaltung einstellbar ist,

- wobei die Reihenschaltungen parallel geschaltet sind und die parallel geschalteten Reihenschaltungen die Matrix bilden und

- wobei die Spannungsquelle dazu eingerichtet ist, ihre Ausgangsspannung auf den von der Steuereinheit an dem Steueranschluss bereit gestellten Spannungswert einzustellen. LED-Matrix-Schaltungsanordnungen werden häufig in Kfz-Scheinwerfern verwendet, um damit verschiedene Lichtbilder und Lichteinstellungen vornehmen zu können. Diese LED-Matrix-Schaltungsanordnungen sind an eine oder mehrere externe Versorgungsspannungsquellen angeschlossen und weisen mindestens eine einstellbare Spannungsquelle, eine Steuereinheit und mehrere Stromquellen auf, die in Reihe zu den LEDs geschaltet sind. Die Reihenschaltungen bilden die LED-Matrix. Die Höhe der von der Spannungsquelle zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung wird von der Steuereinheit gesteuert. Mittels der Steuereinheit werden für jede Reihenschaltung Tastgrade ermittelt, um mittels der Stromquellen die Ströme durch die Reihenschaltungen durch Pulsbreitenmodulation dimmen zu können. Die Tastgrade können den Stromquellen übermittelt werden, die dann einen zur Dimmung entsprechenden Strom einstellen.

In den bekannten LED-Matrix-Schaltungsanordnungen wird die Versorgungsspannung so eingestellt, dass allen Reihenschaltungen eine ausreichende Spannung zur Verfügung gestellt ist, um den für die Erzeugung des gewünschten Lichts erforderlichen Strom mit der gewünschten Stromhöhe zu erreichen. Damit dieses Ziel, die gewünschte Stromhöhe, sicher erreicht wird, wird in der Regel von der Spannungsquelle eine Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt, die sicher so groß ist, dass die gewünschten Stromhöhen erreicht werden. Bislang wird bei solchen LED-Matrix- Schaltungsanordnungen mit Stromquellen in Reihe zu den LEDs nicht darauf geachtet, dass den Stromquellen nur eine Spannung zur Verfügung gestellt wird, die minimal notwendig ist, um die gewünschten Stromhöhen zu erreichen. Dies führt zu hohen Verlustleistungen in der Spannungsquelle, den LEDs, den Stromquellen und den zugehörigen Bauteilen. Die Eigenerwärmung der elektronischen Bauteile ist hoch und die LEDs befinden sich dadurch in einer warmen Umgebung. Höhere LED- Temperaturen führen zu einer geringeren Lichtausbeute, das muss ggf. dadurch kompensiert werden, dass die LED weniger gedimmt werden, um mehr Licht zu erzeugen.

Derzeit findet auch keine Optimierung der Verlustleistung in den Stromquellen statt. Um eine zu hohe Erwärmung der Bauteile der Schaltungsanordnung zu verhindern, werden aufwändige Kühlkonzepte entwickelt und umgesetzt. Ggf. müssen auch besonders hochwertige Komponenten eingesetzt werden, was aus anderen Gründen nicht erforderlich wäre.

Hier setzt die Erfindung an.

Das der Erfindung zu Grunde liegende technische Problem ist es, Wärmeentwicklung bei der Lichterzeugung zu minimieren.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Steuereinheit einen Eingang

- zum Einlesen von Statusinformationen über die Temperatur in oder an der Matrix aufweist, wobei diese Temperaturen einzelnen LED zugeordnet sein können,

- zum Einlesen von Messwerten der Temperaturen der einzelnen LEDs,

- zum Einlesen von Messwerten der Spannungen über den Stromquellen jeder Reihenschaltung,

- zum Einlesen von Messwerten der Spannung über der Matrix und der Spannungen an den LEDs jeder Reihenschaltung und/oder

- zum Einlesen von Messwerten des Stroms durch jede Reihenschaltung aufweist und dass die Steuereinheit geeignet ist,

- aus der eingelesenen Statusinformation oder den eingelesenen Statusinformationen, den eingelesenen Messwerten der Temperaturen, der Spannungen und/oder der Ströme einen Soll-Spannungswert zu ermitteln, der an dem Steueranschluss bereitstellbar ist, damit sich die einstellbare Spannungsquelle auf diesen Spannungswert einstellt, und/oder

- aus der eingelesenen Statusinformation oder den eingelesenen Statusinformationen, eingelesenen Messwerten der Temperaturen, der Spannungen und/oder der Ströme Sollamplituden der Ströme durch die Reihenschaltungen zu ermitteln, damit die Stromquellen Ströme mit diesen Amplituden einstellen.

Durch die Auswertung von Statusinformationen, wie zum Beispiel über die Temperatur der LED (hoch/mittel/niedrig) oder Spannung über der Stromquelle oder der LED (Vorwärtsspannung, hoch/mittel/niedrig) oder von Messwerten, insbesondere der Temperatur oder der Spannung über der Stromquelle, der Vorwärtsspannung oder der Spannung über der Reihenschaltung ist es möglich, die Einstellungen für die Stromquellen in jeder Reihenschaltung zu optimieren. Die Spannung über der Stromquelle kann und die von den Stromquellen eingestellten Ströme können weiter reduziert werden als es beim Stand der Technik der Fall ist. Eine für die Erzeugung des Lichtes unnötige Wärmeerzeugung kann vermieden werden.

Neue LED-Matrix-Komponenten auf dem Markt liefern eine Statusinformation der LED-Stromquellenspannungen oder sogar der Messwerte. Diese machen es möglich, die Statusinformationen und/oder die Messwerte für die Optimierung der von der Spannungsquelle zur Verfügung gestellten Spannung und der Ströme durch die Reihenschaltungen, die an der LED-Matrix anliegt, zu optimieren. Durch eine optimale, gegenüber herkömmlichen Schaltungsanordnungen reduzierte Spannung am Ausgang der Spannungsquelle und reduzierte Ströme in den Reihenschaltungen ist es möglich, auch die Spannungen über den Stromquellen zu reduzieren. Durch die Reduzierung der Stromquellenspannungen auf ein absolutes Minimum können geringere Verlustleistungen in der Spannungsquelle und Stromquelle erreicht werden. In der Folge wird eine geringere Eigenerwärmung dieser elektronischen Bauteile erreicht und die LEDs arbeiten in einer kühleren Umgebung, was zu einer höheren Lichtausbeute führt.

Die Schaltungsanordnung kann auch einen Eingang bzw. eine Videodatenschnittstelle zum Einlesen der Soll-Helligkeitsverteilung bzw. Videodaten aus einem Kommunikationsnetzwerk aufweisen.

Für die Messung der Temperatur, der Spannungen oder eines Stroms kann eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung Temperatursensoren, Spannungssensoren und/oder Stromsensoren zum Ermitteln der Messwerte aufweisen. Dann ist es nicht notwendig, externe Sensoren zu nutzen, die diese Messwerte liefern.

In der Steuerungseinheit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können Strom-Spannungs-Kennlinien der Stromquellen und/oder Strom-Spannungs-Kennli- nien der LEDs für verschiedene Temperaturen abgelegt sein. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass in Abhängigkeit von den Messwerten und den Kennlinien oder einer der Kennlinien der Soll-Spannungswert ermittelbar ist. Bei bekannter Temperatur und bekannten Messwerten für die Spannungen an den Stromquellen und/oder für die Vorwärtsspannungen oder die Spannungen über die Reihenschaltungen oder den Strom durch die Reihenschaltungen können so die optimalen Arbeitspunkte für die Stromquellen bestimmt werden. Durch eine Betrachtung der optimalen Arbeitspunkte aller Stromquellen kann dann eine optimale Spannung der Spannungsquelle und ein optimaler Strom der Stromquellen bestimmt werden, die die Reihenschaltung mit der Spannung versorgt.

Erfindungsgemäß können die Kennlinien der LEDs und/oder der Stromquellen zuvor individuell ermittelt und in der Steuereinheit, insbesondere als Look-up-Tabelle abgelegt sein.

Erfindungsgemäß ist es zur Ermittlung des optimalen Soll-Spannungswertes der

Spannungsquelle beispielsweise möglich, dass mittels der Steuereinheit - für jede Reihenschaltung der zum Betreiben der LED, insbesondere zum Erzeugen des gewünschten Lichtes durch die LED, notwendige Strom durch die Reihenschaltung ermittelbar ist,

- für jede Reihenschaltung mittels der in der Steuereinheit abgelegten Kennlinien für die Stromquelle dieser Reihenschaltung die für die Erzeugung des notwendigen Stroms durch die Reihenschaltung erforderliche Spannung über die Stromquelle ermittelbar ist,

- für jede Reihenschaltung mittels der in der Steuereinheit abgelegten Kennlinien für die LEDs aus der Temperatur der LED oder im Bereich der LED und dem notwendigen Strom durch die Reihenschaltungen die Vorwärtsspannung ermittelbar ist,

- für jede Reihenschaltung die Summe aus der erforderlichen Spannung und der Vorwärtsspannung ermittelbar ist und

- die so ermittelten Spannungen mittels der Steuereinheit verglichen werden und die größte Summe als Soll-Spannungswert anwendbar ist.

Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die Steuerungseinheit so eingerichtet sein, dass,

- wenn alle Spannungen über den Stromquellen über einem ersten vorbestimmten Wert liegen, der Soll-Spannungswert um einen vorbestimmten Betrag reduziert wird, und

- wenn eine Spannung über den Stromquellen unter dem ersten vorbestimmten Wert liegt, der Soll-Spannungswert um einen vorbestimmten Betrag erhöht wird, und dass diese Schritte wiederholt werden, bis alle Spannungen über den Stromquellen den ersten vorbestimmten Wert nicht unterschreiten und die niedrigste der Spannungen über die Stromquellen weniger als den vorbestimmten Betrag höher ist als erste vorbestimmte Wert.

Gemäß der Erfindung kann die Schaltungsanordnung einen integrierten Schaltkreis, zum Beispiel eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) aufweisen, der zwischen der Steuereinheit und die Sensoren geschaltet ist. Dieser integrierte Schaltkreis kann gemäß der Erfindung vorbeschriebene Funktionen der Steuereinheit übernehmen.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, dass die Steuereinheit oder der integrierte Schaltkreis geeignet sind, für die Stromquellen jeder Reihenschaltung einen Tastgrad zu ermitteln, um die LEDs durch pulsweitenmodulieren des Stroms durch die Reihenschaltung zu dimmen.

Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für eine Leuchte ist anhand der Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die Schaltungsanordnung S ist für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer vorgesehen. Sie hat einen Eingang zur Verbindung mit einem Kraftfahrzeugbordnetz 1 , in der verschiedene Quellen für elektrische Energie vorgesehen sein können, zum Beispiel Batterien oder Generatoren. Die Schaltungsanordnung S weist eine einstellbare (gesteuerte) Spannungsquelle 4 auf. Diese wird von einer Steuereinheit 3 gesteuert. Die Steuereinheit liefert der Spannungsquelle 4 einen Soll-Spannungswert, auf den sich die Spannungsquelle einstellt. Die Spannungsquelle stellt dann eine Spannung Vddp zur Verfügung. Die Schaltungsanordnung hat auch eine Videodatenschnittstelle (nicht dargestellt), über die die Steuereinheit 3 Helligkeitswerte bzw. Videodaten einlesen kann. Die Steuereinheit 3 ist mit einem Speicher 2 verbunden, in dem Kennlinien und Spannungswerte hinterlegt sind und die von der Steuereinheit 3 aus dem Speicher 2 ausgelesen werden können.

Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Beleuchtungseinheit 5 auf, die aus mehreren Komponenten zusammengesetzt ist. So weist die Beleuchtungseinheit eine LED- Matrix auf, die aus mehreren parallel geschalteten Reihenschaltungen gebildet ist. Jede Reihenschaltung weist in Reihe geschaltet wenigstens eine Leuchtdiode LED1 , LED2, ... , LEDn und eine einstellbare Stromquelle 11 , I2, ..., In auf. Über den Leuchtdioden LED1 , LED2, ..., LEDn fällt eine Vorwärtsspannung Vf 1 , Vf2, ..., Vfn und über den Stromquellen 11 , 12, ..., In fällt eine Spannung Vcs1 , Vcs2, ..., Vcsn ab. Die Summe der Vorwärtsspannung einer der LED und der Spannung über der Stromquelle der gleichen Reihenschaltung entspricht der von der Spannungsquelle 4 bereitgestellten Spannung Vddp.

Mit den gesteuerten Stromquellen 11 , 12, ..., In kann der Strom durch die Reihenschaltungen und damit durch die Leuchtdioden LED1 , LED2, ..., LEDn eingestellt werden. Und zwar kann einerseits der Scheitelwert T aber auch der mittlere Strom eingestellt werden, der sich durch eine Pulsbreitenmodulation des Stromes ergibt. Sowohl der Scheitelwert T als auch ein Tastgrad d wird den Stromquellen 11 , 12, ..., In von der Steuereinheit vorgegeben. Beide Werte sind maßgeblich für das von den Leuchtdioden LED1 , LED2 LEDn abgestrahlte Licht, u.a. für die Farbe des Lichts und die Helligkeit des Lichts.

Die Scheitelwerte T und die Tastgrade d für die Stromquellen 11 , I2, ..., In werden von der Steuereinheit 3 ermittelt. Die Helligkeiten bzw. der Tastgrade d ist dabei Teil eines Videosignals, das von der Steuereinheit 3 erzeugt wird. Der Tastgrad d ist in dem Videosignal codiert. Dieses wird von der Steuereinheit 3 an ein ASIC 51 der Beleuchtungseinheit übermittelt, die aus dem Videosignal die Tastgrade d decodiert und in Steueranweisungen für die Stromquellen 11 , I2, ..., In umgesetzt, die an die Strom- quellen 11 , I2, In übermittelt werden. Die Scheitelwerte i der Ströme durch die Reihenschaltungen bzw. Leuchtdioden LED1 , LED2 LEDn werden über einen Kommunikationskanal Corn von der Steuereinheit 3 an das ASIC 51 übermittelt, das daraus Steueranweisungen für die Stromquellen 11 , I2, ..., In erzeugt, die an die Stromquellen 11 , I2 In übermittelt werden.

Die Beleuchtungseinheit 5 weist Temperatursensoren auf, mit denen die Temperaturen im Bereich jeder der Leuchtdioden LED1 , LED2 LEDn gemessen werden können. Diese Messwerte T für die Temperatur sind repräsentativ für die Temperatur der Leuchtdioden LED1 , LED2 LEDn. Die gemessenen Temperaturen T werden von den Temperatursensoren an das ASIC geliefert, das die Werte dann über den Kommunikationskanal Corn an die Steuereinheit weitergibt.

Die Beleuchtungseinheit weist ebenso Spannungssensoren auf, die die Spannung über den Stromquellen ermitteln. Auch diese Messwerte Vcs1 , Vcs2, ..., Vcsn oder ggf. Vf 1 , Vf2, ..., Vfn werden an das ASIC übermittelt, das die Messwerte Vcs1 , Vcs2, ..., Vcsn oder ggf. Vf1 , Vf2, ..., Vfn über den Kommunikationskanal com an die Steuereinheit 3 weitergibt.

Mit Hilfe der Messwerte T für die Temperaturen der Leuchtdioden und der Messwerte für die Spannung über den Stromquellen können nun die Spannung Vddp am Ausgang der Spannungsquelle 4 optimiert und optimierte Sollwerte der Amplituden i der Ströme durch die Reihenschaltungen an der Corn Schnittstelle bereitgestellt werden, insbesondere auf den mindestens notwendigen Wert herabgesetzt werden, so dass die Spannung über den Stromquellen 11 , I2, ..., In so gering ist, wie notwendig, damit durch die Stromquellen, Leuchtdioden und die Spannungsversorgung so wenig Leistung umgesetzt werden muss, wie es erforderlich ist.

Zur Optimierung der Spannung Vddp nutzt die Steuereinheit Kennlinien der Leuchtdioden und Kennlinien der Stromquellen, die in dem Speicher 2 abgelegt sind. Es kann sich dabei um individuelle Kennlinien, handeln, die für die verwendeten Komponenten ermittelt werden oder aber um Kennlinien, die für die verwendeten Typen von Komponenten von Herstellern bereitgestellt werden. Die Kennlinien können entweder als Gleichungen in dem Speicher abgelegt sein. Einfacher ist es aber, Tabellen in dem Speicher 2 abzulegen, und ggf. in den Tabellen fehlende Werte zu interpolieren. Insbesondere für die Leuchtdioden LED1 , LED2, ..., LEDn und die Stromquellen sind auch temperaturabhängige Kennlinien und Tabellen möglich.

Mit der Steuereinheit kann zur Ermittlung des optimalen Soll-Spannungswertes für die Spannung Vddp zunächst für jede Reihenschaltung der zum Betreiben der Leuchtdiode LED1 , LED2 LEDn notwendige Strom durch die Reihenschaltung ermittelt werden, mit dem die Leuchtdiode LED1 , LED2, ..., LEDn das gewünschte Licht erzeugt. Ermittelt werden insbesondere der Scheitelwert T und der Tastgrad d. Der Strom bzw. die Amplituden T der Ströme durch die Reihenschaltungen werden berechnet aus den gewünschten Helligkeiten, die über die Eingangsvideodaten von der Steuereinheit 3 über das Fahrzeug 1 eingelesen werden und den von dem ASIC 51 bereitgestellten Messwerte T für die Temperaturen der Leuchtdioden LED1 , LED2, ..., LEDn.

Für jede Reihenschaltung wird dann mittels der Kennlinien für die Stromquelle 11 , 12, ..., In die für die Erzeugung des notwendigen Stroms durch die Reihenschaltung erforderliche Spannung Vcs1 , Vcs2, ..., Vcsn über den Stromquellen ermittelt. Für jede Reihenschaltung wird anschließend mittels der Kennlinien für die Leuchtdioden LED1 , LED2 LEDn aus der Temperatur T der Leuchtdioden LED1 , LED2, ..., LEDn und dem notwendigen Strom durch die Reihenschaltungen die Vorwärtsspannung Vf 1 , Vf2, ..., Vfn über den Leuchtdioden LED1 , LED2, ..., LEDn ermittelt. Für jede Reihenschaltung kann dann die Summe aus der erforderlichen Spannung Vcs1 , Vcs2, ...,Vcsn über der Stromquelle 11 , 12 In und der Vorwärtsspannung Vf 1 , Vf2, ..., Vfn gebildet werden. Wird an die Reihenschaltung genau die Summe der beiden Spannungen angelegt, wäre ein optimaler Arbeitspunkt erreicht. Da aber alle Reihenschaltungen mit der gleichen Spannung Vddp versorgt werden, werden die so ermittelten Summen mittels der Steuereinheit verglichen und die größte Summe wird als Soll-Spannungswert angewendet. Damit ist dann gewährleistet, dass alle Reihenschaltungen mit einer ausreichenden Spannung versorgt werden und alle Stromquellen möglichst nahe an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden.

Bezugszeichenliste

S Schaltungsanordnung

1 Bord netz

2 Speicher

3 Steuereinheit

4 Spannungsquelle

5 Beleuchtungseinheit

51 ASIC

LED1 , LED2,...LEDn Leuchtdioden

11 , I2, In Stromquellen

Vddp Spannung am Ausgang der Spannungsquelle

Vf 1 , Vf2, Vfn Vorwärtsspannungen der Leuchtdioden

Vcs1 , Vcs2, Vcsn Spannungen über den Stromquellen

T Temperaturen an den Leuchtdioden

T Amplitude des Stroms durch die Reihenschaltungen d Tastgrad