Lichtquelle zur Erzeugung von Lichtpulsen mit einer kurzen Pulsdauer und Ver- fahren zum Erzeugen eines kurzen Lichtpulses mittels einer Lichtquelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelle zur Erzeugung von Lichtpul- sen mit einer kurzen Pulsdauer im Nanosekundenbereich, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug. Sie umfasst eine Leuchtdiode zur Erzeugung der Lichtpulse und einen Push-Pull-Schaltkreis zur Ansteuerung und Energie- versorgung der Leuchtdiode. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Ver- fahren zur Erzeugung eines kurzen Lichtpulses mittels einer Leuchtdiode und eines Push-Pull-Schaltkreises.

Im Bereich der Fahrzeugtechnik erlangt die Unterstützung des Fahrers einen immer größeren Stellenwert. Die Unterstützung reicht von Fahrerassistenzsys- temen bis hin zum autonomen Fahren der Fahrzeuge. Hierzu werden Systeme zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung eingesetzt. Eine wich- tige Rolle spielt das LIDAR-System (Light Detection and Ranging), bei dem ähn- lich wie bei der Radarmessung vorgegangen wird, jedoch Laserstrahlen oder andere Lichtquellen verwendet werden. Die LI DAR-Systeme werden in Zukunft eine noch wichtigere Rolle bei verbesserten Fahrerassistenzsystemen (Advan- ced Driver Assistance Systems, ADAS) und beim autonomen Fahren spielen. die herrschenden strengen Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfor- dern zuverlässige und empfindliche Systeme, damit auch in Extremsituationen die richtigen Entscheidungen getroffen werden. Die Systeme benötigen deshalb in vielen Anwendungsbereichen sehr kurze Lichtpulse. Hierzu wird häufig auf teure Laserdioden zurückgegriffen, um Pulse zu ermöglichen, deren Pulsdauer kleiner als ca. 10 ns ist. Eine Hauptanwendung von derart gepulsten Lichtquel- len ist die Lichtlaufzeitmessung zur Distanzbestimmung, wie sie beispielsweise beim sogenannten Flash-LIDAR eingesetzt wird.

Da die Information der Messung in den Flanken der Pulse steckt, ist eine Ver- kürzung der Pulslänge gleichbedeutend mit einer Verbesserung der Effizienz. Dies kann unmittelbar in eine Verbesserung der Performance umgesetzt wer- den. Insbesondere bei LIDAR-Systemen mit hoher Reichweite ist die System- performance jedoch limitiert durch die zulässige Emissionsleistung der Licht quelle. Eine effiziente Lichtquelle ist demnach mindestens genauso entschei- dend für die Systemperformance wie ein empfindlicher Sensor.

Bei herkömmlichen LIDAR-Systemen werden im Allgemeinen ablenkbare La- serstrahlen verwendet, die durch Spiegel gelenkt werden. Bei den verwendeten Lasern besteht jedoch das Problem der hohen Energiedichte, um Systeme mit einer großen Reichweite aufzubauen. Laser mit hoher Energiedichte können die Augen schädigen, sodass die Lichtleistung durch gesetzliche Vorgaben ge- regelt ist.

Bei Flash-LIDAR-Systemen werden heute dedizierte Infrarotpulsquellen ver- wendet. Sie sind in ihrer Reichweite und Empfindlichkeit durch die gesetzlich limitierte Sendeleistung zur Einhaltung der Augensicherheit begrenzt. Aufgrund der vorgegebenen Randbedingungen steigt die Bedeutung von ge- pulsten Lichtquellen mit kurzen Lichtimpulsen für die Lichtlaufzeitmessung, die für eine Distanzbestimmung oder Abstandsbestimmung notwendig ist. Die Effi zienz der Lichtlaufzeitmessungen wird auch durch die Pulslänge bestimmt. Eine Verkürzung der Pulslänge erhöht dabei die Effizienz, da bei gleichbleibender mittlerer Lichtleistung eine höhere Reichweite erzielt werden kann.

Die im Stand der Technik im automobilen Bereich bekannten LIDAR-Systeme werden generell mit dedizierten Beleuchtungsquellen gebaut. Aus Akzeptanz- gründen ist man dabei auf den nicht sichtbaren Wellenlängenbereich be- schränkt und muss gleichzeitig mit den geringen Ausmaßen auskommen, die durch den im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraum vorgegeben sind. Beide Limitierungen wirken sich unter Berücksichtigung der Grenzwerte für die Strahlungsleistung aufgrund der zu vermeidenden Schädigung von Augen re- duzierend und mindernd auf die maximale Sendeleistung und somit auch auf die Performance der Systeme aus.

Es besteht somit ein großer Bedarf an einer Reichweitenvergrößerung. Diese lässt sich insbesondere mit gepulsten Lichtquellen erzielen. Im Rahmen der Er- findung wurde erkannt, dass eine Schlüsselfrage in der Erzeugung von Lichtim- pulsen für Leuchtdioden, LEDs, oderfür Laserdioden besteht, die steile Flanken aufweisen, also eine steile Anstiegsflanke und eine steile Abfallflanke haben. Die Anstiegsflanke spiegelt das Einschalten, die Abfallflanke das Ausschalten der Diode wider.

LED-Pulse werden im Stand der Technik durch schaltbare Stromquellen oder Spannungsquellen erzeugt. Die damit erzielbaren Anstiegs- und Abfallzeiten der Lichtpulse liegen typischerweise in der Größenordnung von 10 ns. Bei her- kömmlichen Leuchtdioden und Laserdioden ergibt sich diese Grenze durch das in den Dioden bedingte Umladen der Sperrschichtkapazität in Verbindung mit parasitären Komponenten der Dioden und deren Anschlüssen. Die EP 0 470 780 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Verbesserung der Puls- form einer LED, insbesondere der Anstiegsflanke. Dabei werden vier Bipolar- Transistoren in einer H-Brückenschaltung zusammengeschaltet, um eine Leuchtdiode, LED, zu betreiben. Die offenbarte Schaltung muss in Sperrrich- tung zwei Widerstände aufweisen, um infolge der Nutzung auftretende Quer- ströme in den beiden H-Brücken zu begrenzen. Hierdurch wird das Ausschalt- verhalten des Schaltkreises limitiert. Zusätzlich muss der vorgeschlagene Schaltkreis eine Stromquelle umfassen, die die Integration zumindest eines wei- teren Stromquellentransistors in den Schaltkreis erfordert. Die gezeigte Schal- tung ist somit nicht spannungsversorgt, sondern stromversorgt aus der vorhan- denen Stromquelle. Zusätzliche Stromquellen verursachen jedoch einen zu- sätzlichen Flächenbedarf auf dem Chip bei Integration des Schaltkreises in ei- nen integrierten mikroelektronischen Kreis. Die LED wird im ausgeschalteten Zustand betrieben, wenn der erste High-Side-Transistor der ersten Halbbrücke ausgeschaltet und der zweite High-Side-Transistor der zweiten Halbbrücke aus- geschaltet sind und gleichzeitig der erste Low-Side-Transistor der ersten Halb- brücke eingeschaltet ist, während der zweite Low-Side-Transistor der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet ist. Die Leuchtdiode wird also nur mit ihrer Anode über den ersten Low-Side-Transistor der ersten Halbbrücke mit der Stromquelle verbunden. Dies ist in Figur 1 der EP 0 470 780 A1 gezeigt. Da die Kathode der LED in diesem Zustand nicht beschältet ist, ist die LED auch nicht im ausge- schalteten Zustand mit einer Energiequelle verbunden. Um einen möglichst kur- zen Lichtimpuls zu erzeugen, wird kurz nach dem Einschalten des ersten High- Side-Transistors und der beiden Low-Side-Transistoren der zweite High-Side- Transistor mit einer Verzögerung t geschaltet und übernimmt so einen Teil des Stroms der Stromquelle. Das Ausschalten der LED erfolgt ausschließlich über den ersten Low-Side-Transistor. Allerdings ist der "Ausräumstrom" durch die Stromquelle begrenzt. Die LED kann nur mit der durch die Stromquelle festge- legten Zeit t=Q _L ED/lstromqueiie = CLED X U LED/I Stromquelle ausgeschaltet werden. Der Entladevorgang wird dabei auch durch die Widerstände behindert. Die Entlade- zeit wird somit vergrößert. Zwar ist die Schaltung geeignet, einen besonders steilen Anstieg der Lichtleistung hervorzu rufen. Ein kurzer Lichtimpuls der LED oder eine steile Ausschaltflanke lassen sich mit dieser Schaltung aufgrund der oben genannten parasitären Effekte jedoch nicht realisieren.

Die Ansteuerung einer LED mit zwei Halbbrücken ist auch aus dem Dokument Wesen, Björn [et al.j: "Fastest way of doing on/off-modulation of a LED". 22 ^nd June 201 1 , edited 23rd June 2014. 4. S. URL:https://electronics.stackex- change.com/questions/15818/fastest-way-of-doing-on-off-modul ation-of-a-led [abgerufen am 23.01.2018] bekannt. Weitere Halbbrückenansteuerungen und Halbbrückentreiber ohne die Nutzung einer LED sind beispielsweise aus "TPS28226 High-Frequency 4-A Sink Synchronous MOSFET Drivers“, einer Applikationsschrift der Fa. Texas Instruments, und aus„2A Synchronous Buck Power MOSFET Driver“, einer Applikationsschrift der Fa. Microchip zum Microchip-Produkt MCP14628, bekannt.

Die EP 2 761 978 B1 zeigt eine H-Brückenschaltung zur Ansteuerung von LED- Leuchtmitteln mit unterschiedlicher Farbe und Polung. Allerdings dient die Um- polung hier der Auswahl verschiedener Farben. Die Vorrichtung ist aber nicht geeignet, um kurze Lichtimpulse abzustrahlen.

Die EP 0 762 651 A2 beschreibt das Einschalten einer LED mit einem zunächst höheren Strom, der oberhalb des dann niedrigeren Betriebsstroms liegt. Damit werden steile Einschaltflanken des Lichtimpulses erzielt. Die DE 10 2016 116 718 A1 beschreibt eine Dimmschaltung für LED-Leuchten.

Die Kombination einer Lichtpulsquelle mit einer TOF-Kamera (Time of Flight- Kamera) ist beispielsweise aus der DE 10 2014 105 482 A1 bekannt.

Auch die JP S 587941 beschreibt eine Lichtquelle für kurze Lichtimpulse mit einer Treiberschaltung, bei der zunächst ein positiver Einschaltimpuls erzeugt wird, dem zum Ausschalten der LED ein negativer Spannungspuls folgt.

Die WO 2016/187566 beschreibt eine bipolare Ansteuerschaltung für Laserdio- den oder LEDs, die zwei zeitlich aufeinanderfolgende Pulse mit unterschiedli- cher Polarität und verschiedenen Werten bereitstellt, um ultrakurze Lichtpulse mit Pulsdauern im Bereich von 100 Pikosekunden bis 2 Nanosekunden in einer Laserdiode oder LED zu erzeugen.

Die US 9,681 ,514 B1 sowie die US 9,603,210 B1 beschreiben jeweils Steuer- kreise zur Anschaltung einer LED oder Leuchtdiode, wobei die US 9,681 ,514 B1 eine Push-Pull-Ansteuerschaltung zum Dimmen einer Licht quelle offenbart, bei der der Ausgang der Push-Pull-Schaltung mit elektrischer Energie von einer positiven und einer negativen Versorgungsspannungsleitung betrieben wird.

Die im Stand der Technik bekannten Druckschriften befassen sich vorwiegend mit dem Problem, einen Lichtpuls zu schaffen, der eine möglichst kurze An- stiegszeit aufweist. Wie ein insgesamt sehr kurzer Lichtpuls bei Leuchtdioden mit einer großen Eigenkapazität erzeugt werden kann und wie der Problematik beim Ausschalten von flächenmäßig und kapazitätsmäßig in der Regel sehr großen Leuchtmittel-LEDs entgegengetreten wird, ist in diesen Schriften nicht adressiert.

Im Stand der Technik besteht auch ein großer Bedarf an einem verbesserten und zuverlässigeren Messsystem, insbesondere LIDAR-System. Um die Reich- weite zu erhöhen oder die Sichtbarkeit von dunklen Objekten zu ermöglichen, muss die Empfindlichkeit des Systems erhöht werden. Prinzipiell kann dies ent- weder durch einen lichtempfindlichen Sensor oder durch einen verbesserten Sender (Sendediode) oder durch eine erhöhte Sendeleistung geschehen. Sen- soren werden heute jedoch schon nahe an den physikalischen Limits und tech- nischen Möglichkeiten betrieben. Die Sendeleistung hingegen unterliegt ge- setzlichen Beschränkungen, auch um Personen in der Nähe des Systems zu schützen. Es besteht deshalb ein hoher Bedarf an einer verbesserten Sendedi- ode für Messsysteme, insbesondere LIDAR-Systeme.

Die Lösung des Problems beruht auf der Erkenntnis, dass eine wesentliche Auf- gabe darin besteht, die als Sendediode oder Lichtquelle verwendete, aussen- dende Leuchtdiode zu optimieren. Ein Aspekt der Erfindung betrifft dabei mög- lichst steilflankige Lichtimpulse mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten zu erzeu- gen. Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft nicht nur steile Lichtimpulse zu erzeugen, sondern auch besonders kurze Lichtpulse ohne langsame Anstiegs- oder Abfallzeiten der Pulsweite. In der Regel führen bei herkömmlichen Leucht- dioden die parasitären Effekte der Leuchtdiode zu längeren Anstiegs- und Abfallzeiten. Dies gilt besonders bei Leuchtdioden in der Fahrzeugtechnik, ins- besondere dann, wenn die Leuchtdioden auch für Beleuchtungszwecke einge- setzt werden.

Gelöst wird die vorliegende Aufgabe mit einer Lichtquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16.

Die vorgeschlagene technische Lösung verkürzt die Anstiegs- und Abfallzeiten eines LED-Lichtimpulses massiv und ermöglicht somit, Lichtimpulse zu erzeu- gen, die extrem kurz sind und eine Pulsdauer von wenigen Nanosekunden, be- vorzugt von weniger als 2 Nanosekunden haben. Insbesondere lassen sich die Ausschaltzeiten der Lichtimpulse stark verkürzen. Damit ist es möglich, Leucht- dioden (LEDs) in Applikationen wie Flash-LIDAR-Systemen effektiv und leis- tungsstark einzusetzen. Teure Laserdioden können in vielen Fällen durch LEDs (Leuchtdioden) ersetzt werden. Erfindungsgemäß umfasst die Lichtquelle zur Erzeugung von Lichtpulsen mit einer kurzen Pulsdauer im Nanosekundenbereich eine Leuchtdiode zum Erzeu- gen von Lichtpulsen und einen Push-Pull-Schaltkreis zur Ansteuerung und zur Energieversorgung der Leuchtdiode. Die Lichtquelle kann vorzugsweise in ei- nem Fahrzeug verwendet werden, etwa um als Teil eines LIDAR-Systems zur Objekterkennung und Distanzmessung verwendet zu werden.

Erfindungsgemäß hat die Leuchtdiode der Lichtquelle einen ersten Anschluss, der mit einem Ausgangsport des Push-Pull-Schaltkreises verbunden ist. Der zweite Anschluss der Leuchtdiode ist mit einer Mittenpotentialleitung verbun- den, die bevorzugt die Systemmasse sein kann. Der Push-Pull-Schaltkreis weist einen ersten Eingangsport auf, der mit einer ersten Versorgungsspannungsleitung und deren Potential verbunden ist. Sein zweiter Eingangsport ist mit einer zweiten Versorgungsleitung und deren Po- tential verbunden, wobei die zweite Versorgungsleitung bevorzugt ein negatives Potential zur Verfügung stellt. Das Potential zwischen der Mittenpotentialleitung (GND) liegt zwischen dem Potential der ersten Versorgungsleitung und dem Potential der zweiten Versorgungsleitung.

Der Push-Pull-Schaltkreis kann in einen ersten Zustand geschaltet werden, bei dem am Ausgangsport positive elektrische Energie der ersten Versorgungslei- tung anliegt. In einem zweiten Zustand der Push-Pull-Schaltung liegt am Aus- gangsport negative elektrische Energie der zweiten Versorgungsleitung an. Der Push-Pull-Schaltkreis kann zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand hin und her geschaltet werden.

Wenn der Push-Pull-Schaltkreis in den ersten Zustand geschaltet ist und dann positive elektrische Energie am Ausgangsport anliegt, sendet die Leuchtdiode elektromagnetische Strahlung aus, beispielweise in Form von sichtbarem oder nicht-sichtbarem Licht oder im Infrarotbereich. In diesem Fall liegt am ersten Anschluss der Leuchtdiode ein positives Potential an, das größer ist als das Potential der Mittenpotentialleitung, die mit dem zweiten Anschluss der Leucht- diode verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist die Lichtquelle derart ausgebildet, dass der Betrag der Dif- ferenz zwischen dem Potential der Mittenpotentialleitung und dem Potential der ersten Versorgungsleitung kleiner ist als der Betrag der Differenz zwischen dem Potential der Mittenpotentialleitung und dem Potential der zweiten Versor- gungsleitung. Der Betrag der positiven Spannung, die im ersten Zustand an dem ersten Anschluss der Leuchtdiode (LED) anliegt, ist also größer als der Betrag der negativen Spannung, die im zweiten Zustand an dem ersten An- schluss der Leuchtdiode anliegt.

Während im ersten Zustand des Push-Pull-Schaltkreises die LED eingeschaltet wird, sodass die Ladungsträger in der Leuchtdiode aufgebaut werden, liegt im zweiten Zustand des Push-Pull-Schaltkreises am ersten Anschluss der Leucht- diode eine negative Spannung an. Durch Anlegen einer Gegenspannung in Sperrrichtung an der Leuchtdiode muss die in der LED gespeicherte Ladung beim Ausschalten also nicht durch „strahlende Rekombination“ abgebaut werden, sondern vorwiegend durch„Absaugen“ mittels des angelegten Gegen- felds. Damit werden die Ladungsträger aus der Raumladungszone der LED ausgeräumt. Dieses Anliegen der negativen Spannung an dem ersten An- schluss der Leuchtdiode führt zu einem sehr schnellen Ausschalten der Leucht- diode. Es wird also letztlich in der LED ein Ausschaltimpuls erzeugt, der eine besonders steile Flanke hat. Die große Ausschaltflanke des Lichtimpulses der Leuchtdiode führt in Messsystemen zu einer großen Bandbreite und einer ent- sprechend hohen Auflösung. Hierdurch lässt sich auch insgesamt der Leuch- timpuls oder Lichtimpuls der LED verkürzen, da sowohl Anstiegszeit als auch Abfallzeit des Leuchtimpulses sehr kurz sind und bevorzugt jeweils unter 1 ns liegen. Die erfindungsgemäße Lichtquelle eignet sich deshalb insbesondere für die Verwendung im Fahrzeug.

Da der erfindungsgemäße Push-Pull-Schaltkreis keine interne Stromquelle auf- weist, wie es beispielsweise in der EP 0 470 780 A1 beschrieben ist, treten auch die parasitären Effekte und Randbedingungen durch die Stromquelle nicht auf. Die Schaltung ist lediglich spannungsgesteuert, nicht aber stromgesteuert und ermöglicht deshalb kürzere Ausschaltzeiten und somit eine steilere Flanke beim Ausschalten.

Im Gegensatz zu der allgemeinen technischen Auffassung, wonach das Anle- gen einer Gegenspannung an einer Leuchtdiode die Lebensdauer drastisch verkürzen würde, macht sich die vorliegende Erfindung gerade das Anlegen dieser Gegenspannung zunutze. Dabei wurde erkannt, dass der Betrag der Ge- genspannung (Potentialdifferenz zwischen zweiter Versorgungsleitung und Mit- tenpotentialleitung) größer sein kann und soll als der Betrag der "Flussspan- nung" (Betriebsspannung). Dies steht ebenfalls im Gegensatz zu der allgemein herrschenden Fachmeinung.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Gegenspannung Werte an- nehmen kann, die beispielsweise dem doppelten oder dreifachen Wert der Flussspannung der Leuchtdiode entsprechen. Bevorzugt sind auch höhere Werte der Sperrspannung möglich, beispielsweise derfünffache, der zehnfache oder der zwanzigfache Wert der Flussspannung. Bei einem sehr sorgfältigen Qualitätsmanagement können sogar Gegenspannungen mit dem Fünfzigfa- chen der Flussspannung an die Leuchtdiode angelegt werden, ohne diese zu schädigen. Solche Gegenspannungen oder Ausräumspannungen an der Leuchtdiode wurden im Rahmen der Erfindung erprobt, wobei die Ausräum- spannungen in Bereichen von 20 V bis 40 V und sogar bis 60 V lagen, während die Flussspannungen bei 1 ,2 V für eine Serienschaltung mit wenigen Leuchtdi- oden realisiert wurden.

Die erfindungsgemäße Lichtquelle eignet sich deshalb besonders gut als Lichtsender eines LIDAR-Systems. Der Effekt des schnellen Ausschaltens und der damit verbundenen steilen Ausschaltflanke begründet eine besonders große Bandbreite des Systems. Dies führt zu einer hohen Auslösung und zu einer großen Reichweite des Messsystems.

Die erfindungsgemäße Lichtquelle und ihre Vorteile zeigen sich insbesondere bei Leuchtdioden, die für Beleuchtungszwecke eingesetzt werden (sogenannte Beleuchtungs-Leuchtdioden oder Beleuchtungs-LEDs). Während die monofre- quenten Laserdioden kohärente Strahlung abstrahlen und nach Abschalten der hohen stimulierten Emissionen ein schneller Abfall der Ladungsträgerdichte in der Sperrschicht erfolgt, bleibt bei Beleuchtungs-LEDs die Sperrschicht beim Abschalten zunächst im Wesentlichen erhalten, da die stimulierte Emission nur sehr gering ist. Daher leuchten die Beleuchtungs-LEDs sehr lange nach, jeden- falls deutlich länger nach als Laserdioden. Schließlich werden Beleuchtungs- Leuchtdioden auf ein langes Nachleuchten hin entwickelt, auch um die Wahr- nehmung eines Flackerns infolge einer Pulsweitenmodulations-Ansteuerung (PWM) zu minimieren. Insoweit sind die Anforderungen an Laserdioden und Signalübertragungsdioden (Signalübertragungsleuchtdioden) konträr zu Be- leuchtungs-LEDs. Beleuchtungs-LEDs sind also träger als die schnelleren Sig- nalübertragungsdioden, die eine deutlich kleinere Sperrschichtkapazität aufwei- sen. Die Sperrschichtkapazität einer Laserdiode liegt im Bereich von ca. 50 pF. Die einer Beleuchtungs-Leuchtdiode liegt im Gegensatz dazu bei einem Mehrfa- chen, häufig im Bereich von mehreren Nanofarad, insbesondere von 10 nF bis 100 nF.

Die im Stand der Technik bekannten Beleuchtungs-LEDs sind in der Regel Flu- oreszenz-LEDs. Hier wird eine Fluoreszenzschicht von einer UV-LED ange- strahlt. Allerdings lassen sich diese LEDs nicht modulieren, da die Fluoreszenz- schicht nachleuchtet. Für Scheinwerfer werden deshalb häufig RDG-LEDs ein- gesetzt, bei denen die weißleuchtende Fluoreszenzschicht durch drei Farb- LEDs ersetzt wird, deren Grundfarben zu weißem Licht aktiv gemischt werden.

Da sich Beleuchtungs-LEDs bevorzugt durch eine diffuse Lichtaussendung auszeichnen, erfolgt bevorzugt eine individuelle Ansteuerung und Synchronisa- tion der einzelnen LEDs, insbesondere beim Abschaltvorgang, wenn eine ne- gative Spannung am ersten Anschluss der Leuchtdiode anliegt. In einer bevor- zugten Ausführungsform umfasst die Lichtquelle drei Leuchtdioden, die bevor- zugt je eine andere Farbe haben, und drei Treiberschaltungen (Push-Pull- Schaltkreis), sodass jede LED von einem Push-Pull-Schaltkreis angesteuert wird. Die Ansteuerung und Synchronisation erfolgt bevorzugt von einer Steue- rungseinheit, die die Steuereingänge der LEDs ansteuert.

Das Anlegen einer betragsmäßig größeren Gegenspannung als die Betriebs- spannung führt zu dem schnellen Ausräumen der Raumladungszone der Leuchtdiode, insbesondere bei Beleuchtungs-LEDs. Die Sperrschichtkapazität der Diode wird schnell ausgeräumt. Dieser Effekt macht sich besonders bei Leuchtdioden bemerkbar, die eine hohe Eigenkapazität und damit Trägheit auf- weisen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Leucht- diode nicht nur als Strahlungsquelle oder Sender in einem Messsystem einge- setzt, sondern gleichzeitig auch für Beleuchtungszwecke, beispielsweise als Scheinwerfer oder Fahrzeugscheinwerfer. Diese Leuchtdioden haben eine große Trägheit und Eigenkapazität, sodass die erfindungsgemäße Schaltung noch stärker zum Tragen kommt. Die Überwindung der Trägheit der Lichtquelle wird durch die Ansteuerung der Leuchtdiode mittels der Push-Pull-Schaltung erzielt.

Damit die Leuchtdiode auch gleichzeitig als Sendediode eines Messsystem und als Beleuchtungsmittel oder Scheinwerfer in einem Fahrzeug eingesetzt wer- den kann, ist bevorzugt der erste Anschluss der Leuchtdiode über einen dritten Schalter mit einer dritten Versorgungsspannung verbunden. Die Leuchtdiode kann dann mit elektrischer Energie aus der dritten Versorgungsleitung versorgt werden, wobei die dritte Versorgungsleitung ebenfalls ein positives Potential aufweist, also eine positive Spannung an dem ersten Anschluss anliegt. Auf diese Weise lässt sich die Leuchtdiode für Beleuchtungszwecke einsetzen. Das Spannungspotential der dritten Versorgungsleitung kann entsprechend gewählt werden. Das Potential der dritten Versorgungsleitung kann somit unabhängig vom Potential der anderen Versorgungsleitungen sein, wobei das Potential der ersten Versorgungsleitung und das Potential der zweiten Versorgungsleitung voneinander abweichen können. Bevorzugt kann der Push-Pull-Schaltkreis in einen dritten Zustand geschaltet werden, in dem der Ausgangsport der Push- Pull-Schaltkreises von der ersten Versorgungsleitung und von der zweiten Ver- sorgungsleitung getrennt ist. Dies erfolgt bevorzugt, wenn die Lichtquelle für Beleuchtungszwecke betrieben wird.

Bevorzugt wird also zwischen einem Pulsbetrieb der Leuchtdiode, bei dem sie in einem Messsystem eingesetzt wird, und einem Dauerbetrieb mit einer Ein- schaltzeit mit wenigstens 1 s für Beleuchtungszwecke hin und her geschaltet. Beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug wird die Lichtquelle als Scheinwerfer ein- gesetzt. Der eingeschaltete Scheinwerfer wird immer dann, wenn eine Messung mit einem Messsystem, beispielsweise einem LIDAR-System, erfolgt, ausge- schaltet. Das Ausschalten erfolgt in der Regel für einen Zeitraum kleiner oder gleich 1 ms, bevorzugt im Mikrosekundenbereich, sehr bevorzugt in einem Be- reich kleiner 1 mb. Während dieser Ausschaltzeit, bei der die dritte Versorgungs- leitung von der Leuchtdiode getrennt ist, wird die Leuchtdiode in einen Pulsbe- trieb geschaltet, in dem die Push-Pull-Schaltung nicht im dritten Zustand betrie- ben wird. Der Push-Pull-Schaltkreis wird zunächst in den ersten Zustand geschaltet, wodurch die Leuchtdiode wieder eingeschaltet wird. Anschließend wird er in den zweiten Zustand geschaltet, wodurch das Ausschalten der Leuchtdiode erfolgt. Hierbei wird die Sperrkapazität der Leuchtdiode ausge- räumt, die Raumladungszone also von Ladungsträgern befreit. Wie oben be- schrieben wird hiermit eine steile Ausschaltflanke zum Ausschalten der Leucht- diode erzeugt. Anschließend wird die Leuchtdiode wieder in den Beleuchtungs- betrieb geschaltet. Da das Abschalten des Beleuchtungsbetriebs der Leuchtdi- ode für eine Zeitdauer kleiner 1 ms erfolgt, ist es für das menschliche Auge nicht sichtbar. Der Benutzer kann ein Umschalten vom Beleuchtungsbetrieb in den Messbetrieb nicht erkennen. Es erfolgt somit keine Einschränkung beim Einsatz der Lichtquelle als Fahrzeugscheinwerfer.

Im Rahmen der Erfindung wurde auch erkannt, dass die Abstimmung der Zeit dauer, für die die Gegenspannung oder Ausräumspannung an der Leuchtdiode anliegt, wichtig ist. Liegt die Gegenspannung auch dann noch an, wenn die Raumladungszone leergeräumt ist (Sperrschichtkapazität ist ausgeräumt), er- folgt eine Beschädigung oder Zerstörung der Leuchtdiode. Es wurde erkannt, dass die Zeitdauer, für die die Push-Pull-Schaltung in den zweiten Zustand ge- schaltet ist, begrenzt sein muss.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Lichtquelle weist die Lichtquelle eine Stromüberwachungsschaltung auf, mit der der in der Leuchtdiode auftretende Entladestrom überwacht wird, wenn der Push-Pull-Schaltkreis in den zweiten Zustand geschaltet ist. Bevorzugt wird beim Unterschreiten eines vorgegebe- nen Strom-Grenzwertes die Gegenspannung reduziert, die an dem ersten An- schluss der Leuchtdiode anliegt. Bevorzugt wird die Gegenspannung dann auf einen vorgegebenen Dauersperrspannungswert reduziert. Dies ist der Span- nungswert, bei dem die Leuchtdiode keine Beschädigung erfährt, wenn sie im Sperrbetrieb betrieben wird. Besonders bevorzugt wird die Gegenspannung an der Leuchtdiode unter den vorgegebenen Dauersperrspannungswert reduziert. Der Dauersperrspannungswert hängt von der verwendeten Leuchtdiode ab und ist entweder bekannt oder kann durch einfache Messungen ermittelt werden. In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lichtquelle eine Spannungsüberwachungseinheit, die die an der Leuchtdiode anliegende Sperr- spannung oder Gegenspannung überwacht, wenn der Push-Pull-Schaltkreis in den zweiten Zustand geschaltet ist. Die Entladung der Sperrschichtkapazität erfolgt bevorzugt mit einer erhöhten Spannung über einen Vorwiderstand, der durch den Innenwiderstand der Entladespannungsquelle gebildet werden kann. Ist die Sperrschichtkapazität noch nicht entladen, so schließt die Sperrschicht- kapazität die Spannung an der Diode kurz. Mit dem Sinken des Entladestroms steigt die Spannung an. Beim Überschreiten eines vorgegebenen Spannungs- Grenzwertes der Spannung über der Leuchtdiode wird die Gegenspannung re- duziert, beispielsweise unter einen vorgegebenen Dauersperrspannungswert, bevorzugt zu Null. Alternativ und ebenfalls bevorzugt kann die zweite Versor- gungsspannung der Lichtquelle von dem Ausgangsport des Push-Pull-Schalt- kreises getrennt werden, sodass keine Spannung in Sperrrichtung an der Leuchtdiode mehr anliegt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Zeitdauer, in der der Push-Pull-Schaltkreis in den zweiten Zustand geschaltet ist, begrenzt. Der zweite Zustand wird zu einem vorgebbaren Zeitpunkt beendet, sodass er nur für eine vorgegebene Zeitdauer anliegt. Der Zeitpunkt kann ermittelt oder be- rechnet werden, wenn die exakte Konfiguration der Lichtquelle mit allen parasi- tären Parametern aller Schaltkreiselemente vorbekannt ist. Der Ausschaltzeit- punkt entspricht dann im Wesentlichen den beiden oben genannten Zeitpunk- ten, also wenn der Entladestrom einen Strom-Grenzwert unterschreitet oder die Ausräumspannung einen Spannungs-Grenzwert überschreitet.

Bevorzugt ist die vorgegebene Zeitdauer, nach der der zweite Zustand des Push-Pull-Schaltkreises ausgeschaltet wird, höchstens 2 ns lang. Besonders bevorzugt beträgt die Zeitdauer höchstens 1 ns, weiter bevorzugt höchstens 0,5 ns. Für einige Konfigurationen der Lichtquelle beträgt der vorgegebene Zeit- punkt höchstens 0,2 ns, sehr bevorzugt höchstens 0,1 ns. Er kann jedoch auch darunter liegen, beispielsweise bei höchstens 0,05 ns. Insbesondere bei den kurzen Schaltdauern des zweiten Zustands, die ein sehr schnelles Ausräumen der Sperrschichtkapazität der Leuchtdiode zur Folge haben, lassen sich insge- samt sehr kurze Lichtimpulse im Messbetrieb realisieren, da auch die Aus- schaltdauer gering ist und somit die Ausschaltflanke der Leuchtdiode sehr steil.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass nach dem Anlegen der Sperr- Spannung (Gegenspannung) oder Ausräumspannung, also nach dem Schalten des Push-Pull-Schaltkreises in den zweiten Zustand, die Spannungen wieder zu "normalisieren" sind, um Lawineneffekte in der Raumladungszone der Leuchtdiode zu vermeiden. Bevorzugt lässt sich deshalb der Push-Pull-Schalt- kreis in einen dritten Zustand schalten, in dem der Ausgangsport von beiden Versorgungsleitungen getrennt ist. Der dritte Zustand des Push-Pull-Schaltkrei- ses, in dem der Ausgangsport von beiden Versorgungsleitungen getrennt ist, wird als Tristate-Zustand bezeichnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lichtquelle eine Kurzschluss- leitung mit einem vierten Schalter auf. Die Kurzschlussleitung verbindet den ersten Anschluss der Leuchtdiode mit dem zweiten Anschluss der Leuchtdiode, sodass bei Schließen des Schalters die Leuchtdiode kurzgeschlossen werden kann. Das Kurzschließen der Leuchtdiode erfolgt jedoch nur, wenn vorher der Push-Pull-Schaltkreis in seinen dritten Zustand geschaltet ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lichtquelle eine Messeinheit oder Spannungsüberwachungseinheit, die die an der Leuchtdiode anliegende Ruhespannung misst, wenn der Push-Pull-Schaltkreis in den dritten Zustand geschaltet ist. Bevorzugt wird die Ruhespannung gemessen, wenn der Push-Pull-Schaltkreis den zweiten Zustand verlassen hat, also keine negative Spannung mehr am ersten Anschluss der Leuchtdiode anliegt. Besonders bevorzugt wird die Ruhespannung an der Leuchtdiode zwischen zwei Ansteuerpulsen gemessen. Die Messung erfolgt also, wenn die Leuchtdi- ode nicht mehr in den zweiten Zustand geschaltet ist und noch nicht in den ersten Zustand für den nächsten Messimpuls geschaltet ist. Im Idealfall ist die Ruhespannung an der Leuchtdiode gleich Null, wenn der Push-Pull-Schaltkreis den zweiten Zustand verlassen hat und der erste An- schluss der Leuchtdiode von beiden Versorgungsleitungen getrennt ist, was dem dritten Zustand des Push-Pull-Schaltkreises entspricht. Die Raumladungs- zone der Leuchtdiode ist dann vollständig ausgeräumt. Falls die Raumladungs- zone noch Ladungen enthält, ist die Ruhespannung von Null verschieden. Sie wird dann geregelt durch Anpassung des negativen Schaltimpulses an dem Ausgangsport des Push-Pull-Schaltkreises und somit an dem ersten Anschluss der Leuchtdiode. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ruhespannung zu Null geregelt oder auf einen in der Praxis vernachlässigbaren Wert, bevorzugt durch Fine- Tuning oder Fine-Timing der Lade- oder Entladeimpulse (positiver Spannungs- impuls oder negativer Spannungsimpuls am ersten Anschluss der LED). Dies kann z.B. durch Anpassen der Impulsdauer und/oder Flankensteilheit der An- Steuerimpulse erfolgen oder durch Änderung der Spannungshöhe der Ansteu- erimpulse, beispielsweise durch Einsatz einer Ladungspumpe oder einer ande- ren, bevorzugt regelbaren Spannungserhöhungseinheit. Die Regelung kann mittels eines Reglers oder einer Regeleinheit durchgeführt werden.

Alternativ und ebenso bevorzugt kann das Mittenpotential, also das Potential der Mittenpotentialleitung, verschoben bzw. verändert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltdauer, während der der Push-Pull-Schaltkreis in den ersten Zustand geschaltet ist, höchstens 0,5 ns. Besonders bevorzugt beträgt die Schaltdauer höchstens 0,2 ns, weiter bevorzugt höchstens 0,1 ns und besonders bevorzugt 0,05 ns. Hierdurch lässt sich ein besonders steiler Anstieg des Lichtpulses, der von der Leuchtdiode ab- gestrahlt wird, erzielen. Dies ist auch Voraussetzung dafür, um einen möglichst kurzen Lichtpuls von der Leuchtdiode abzustrahlen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Lichtquelle emittiert die Leuchtdiode einen als elektromagnetische Strahlung ausgesendeten kurzen Lichtimpuls im Nanosekundenbereich. Der erzeugte Lichtpuls hat eine Pulsdauer von höchs- tens 1 ns. Bevorzugt ist der Lichtpuls höchstens 0,7 ns lang. Weiter bevorzugt beträgt die Pulsdauer des von der Leuchtdiode abgestrahlten Lichtpulses höchstens 0,5 ns, weiter bevorzugt höchstens 0,3 ns und sehr bevorzugt höchs- tens 0,1 ns. Dies führt zu steilen und extrem kurzen Lichtpulsen, die für ein LIDAR-System ausreichend sind. Da die Pulsdauer so kurz ist, kann die Höhe des Lichtpulses sehr hoch sein, da lediglich der gesamte Energieinhalt, also die Sendeleistung, bestimmten Grenzwerten unterliegt. Somit lassen sich mit der erfindungsgemäßen Lichtquelle LIDAR-Systeme realisieren, die besonders große Reichweiten haben. Die Reichweite ist im Vergleich zu herkömmlichen Reichweiten doppelt so groß, bei sehr kleinen Pulsdauern fünfmal so groß bis zehnmal so groß. Bei extrem schmalen Pulsen können noch größere Reichwei- ten erzielt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lichtquelle zwischen einer der ersten oder zweiten Versorgungsleitungen und dem Ausgangsport eine La- dungspumpe auf, sodass das Potential der entsprechenden Versorgungslei- tung erhöht wird. Die Ladungspumpe (Charge pump) vergrößert den Wert des Potentials der ersten bzw. der zweiten Versorgungsleitung. Je nach Ausfüh- rungsform der Ladungspumpe kann eine Spannungsverdopplung oder auch Mehrfachvervielfältigung erfolgen. Denkbar wäre auch, die Polarität der Span- nung umzuschalten. Selbstverständlich sind auch andere Gleichspannungs- wandler möglich. Vorzugsweise sind die Ladungspumpen zwischen der jeweili- gen Versorgungsleitung und dem Schaltelement in dem jeweiligen Leitungs- strang angeordnet, sodass die Kapazitäten in der Ladungspumpe keine oder nur eine vernachlässigbare Auswirkung auf die Signalform zum Ansteuern der Leuchtdiode haben.

Bei Verwendung von Ladungspumpen in der Lichtquelle ergibt sich eine Poten- tialdifferenz zwischen den Ausgängen der Ladungspumpen, die größer ist als die Potentialdifferenz zwischen den beiden Versorgungsspannungen (erste Versorgungsleitung und zweite Versorgungsleitung). Die vorliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Lichtpulses mittels einer Leuchtdiode gelöst, wobei die Leuchtdiode bevorzugt zur Verwendung in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Lichtquelle mit einer Leuchtdiode zur Erzeugung des Lichtpulses und mit einem Push-Pull-Schaltkreis zur Ansteuerung und Energieversorgung der Leuchtdiode, welche einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Der erste Anschluss der Leuchtdiode ist mit einem Ausgangsport des Push-Pull-Schaltkreises verbunden. Der zweite Anschluss der Leuchtdiode ist mit einer Mittenpotentialleitung verbunden. Erfindungsge- mäß wird der Push-Pull-Schaltkreis in einen ersten Zustand geschaltet, in dem der Ausgangsport des Push-Pull-Schaltkreises mit einer ersten Versorgungslei- tung verbunden ist und so die Leuchtdiode mit elektrischer Energie versorgt. Das Potential der ersten Versorgungsleitung ist positiv und größer als das Po- tential der Mittenpotentialleitung.

Gemäß einem weiteren Schritt des Verfahrens verweilt der Push-Pull-Schalt- kreis in dem ersten Zustand für eine erste Zeitperiode. Die erste Zeitperiode ist in der Regel höchstens 1 ns, bevorzugt höchstens 0,2 ns.

In einem weiteren Schritt wird der Push-Pull-Schaltkreis vom ersten Zustand in einen zweiten Zustand geschaltet, in dem der Ausgangsport des Push-Pull- Schaltkreises mit der zweiten Versorgungsleitung verbunden ist. Die Verbin- dung des Ausgangsports mit der ersten Versorgungsleitung wird getrennt. Das Potential der zweiten Versorgungsleitung ist negativ und kleiner als das Poten- tial der Mittenpotentialleitung. In einem weiteren Schritt verweilt der Push-Pull- Schaltkreis in dem zweiten Zustand für eine zweite Zeitperiode, die bevorzugt ebenfalls höchstens 1 ns, bevorzugt höchstens 0,5 ns ist. Die zweite Zeitdauer entspricht der Zeit, bis zu der der Entladestrom einen vorgegebenen Strom- Grenzwert nicht unterschreitet oder die Gegenspannung an der Leuchtdiode einen vorgegebenen Spannungs-Grenzwert nicht überschreitet. Die zweite Zeitdauer kann auch gleich einem vorgegebenen Wert sein, der bei Kenntnis aller parasitärer Parameter der Gesamtkonfiguration ermittelt oder berechnet werden kann. Die Lichtquelle ist dabei derart ausgebildet und eingerichtet, dass der Betrag der Differenz zwischen dem Potential der Mittenpotentialleitung und dem Po- tential der ersten Versorgungsleitung kleiner ist als der Betrag der Differenz zwi- schen dem Potential der Mittenpotentialleitung und dem Potential der zweiten Versorgungsleitung. Mit anderen Worten wird die Lichtquelle derart geschaltet, dass die Sperrspannung oder Ausräumspannung, die an der Leuchtdiode an- gelegt wird, größer ist als die Betriebsspannung der Leuchtdiode, bevorzugt um ein Vielfaches größer.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Zeitperiode des Verfahrens derart gewählt, dass die Leuchtdiode einen Lichtpuls aussendet, dessen Pulsdauer höchstens 1 ,5 ns, bevorzugt höchstens 1 ,0 ns ist. Weiter be- vorzugt ist die Pulsdauer des Lichtpulses der Leuchtdiode höchstens 0,7 ns, bevorzugt höchstens 0,5 ns, weiter bevorzugt höchstens 0,2 ns und besonders bevorzugt höchstens 0,1 ns. Ziel ist es hierbei, einen den Anforderungen eines Messsystems entsprechend kurzen Lichtpuls mittels der Leuchtdiode der Licht quelle zu erzeugen.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens werden die folgenden Schritte ausgeführt: Schalten des Push-Pull-Schalt- kreises in einen dritten Zustand, in dem beide Versorgungsleitungen von dem Ausgangsport getrennt sind. In einem weiteren Schritt erfolgt das Schließen ei- nes dritten Schalters, der den ersten Anschluss der Leuchtdiode mit einer drit- ten Versorgungsleitung verbindet, wobei das Potential der dritten Versorgungs- leitung positiv ist. Hierdurch erfolgt ein Abstrahlen von elektromagnetischer Strahlung der Leuchtdiode für Beleuchtungszwecke. Die Leuchtdiode bzw. die Lichtquelle kann also insbesondere für Beleuchtungszwecke beispielsweise als Scheinwerfer eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Das Potential der dritten Ver- sorgungsleitung kann von dem Potential der anderen Versorgungsleitungen ab- weichen.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Push- Pull-Schaltkreis in seinen dritten Zustand geschaltet, in dem beide Versor- gungsleitungen von dem Ausgangsport getrennt sind. In einem weiteren Schritt erfolgt das Schließen eines vierten Schalters, der eine Kurzschlussleitung zwi- schen dem ersten Anschluss der Leuchtdiode und dem zweiten Anschluss der Leuchtdiode schließt und so die Leuchtdiode kurzschließt. Selbstverständlich dürfen der dritte Schalter und der vierte Schalter nicht beide geschlossen sein, was dem Fachmann ohne Weiteres klar ist. Die Steuerung der erfindungsgemäßen Lichtquelle ist entsprechend ausgebildet.

Vorzugsweise erfolgt das Schalten des Push-Pull-Schaltkreises in den dritten Zustand durch Trennen der Versorgungsleitung von dem Ausgangsport. Dieses Trennen erfolgt erfindungsgemäß durch Öffnen der Schaltelemente des Push- Pull-Schaltkreises.

Bevorzugt weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: Überwachen des an der Leuchtdiode auftretenden Entladestroms während der Push-Pull-Schalt- kreis in den zweiten Zustand geschaltet ist; Erkennen eines Unterschreitens ei- nes vorgegebenen Strom-Grenzwertes; Reduzieren der an dem ersten An- schluss der Leuchtdiode anliegenden Spannung, bevorzugt auf einen vorgege- benen Dauersperrspannungswert, besonders bevorzugt auf einen unter dem vorgegebenen Dauersperrspannungswert liegenden Spannungswert.

Ebenfalls bevorzugt kann das Verfahren die folgenden Schritte aufweisen: Überwachen der an der Leuchtdiode anliegenden Spannung während der Push-Pull-Schaltkreis in den zweiten Zustand geschaltet ist; Erkennen eines Überschreitens eines vorgegebenen Spannungs-Grenzwertes; Reduzieren der an dem ersten Anschluss der Leuchtdiode anliegenden Spannung, bevorzugt auf einen vorgegebenen Dauersperrspannungswert, besonders bevorzugt auf einen unter dem vorgegebenen Dauersperrspannungswert liegenden Span- nungswert; oder Trennen der zweiten Versorgungsspannung von dem Aus- gangsport des Push-Pull-Schaltkreises.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Messvorrich- tung zum Messen der Ruhespannung der Leuchtdiode verwendet. In einem Schritt wird die Ruhespannung an der Leuchtdiode gemessen, wenn der Push- Pull-Schaltkreis den zweiten Zustand verlassen und den ersten Zustand noch nicht (wieder) eingenommen hat. Der Push-Pull-Schaltkreis ist bevorzugt in den dritten Zustand geschaltet, in dem die Schaltelemente bzw. Transistoren des Push-Pull-Schaltkreises sperren und bevorzugt keine der Versorgungsleitun- gen mit der Leuchtdiode verbunden ist.

Bevorzugt umfasst das Verfahren den weiteren Schritt: Anpassen der Span- nung am ersten Anschluss der Leuchtdiode, bevorzugt mittels eines Reglers, wenn der Push-Pull-Schaltkreis in den ersten Zustand geschaltet ist und/oder in den zweiten Zustand geschaltet ist, optional bis die Ruhespannung an der Leuchtdiode gleich Null ist. Das Anpassen erfolgt bevorzugt durch Änderung der Spannung am Ausgangsport des Push-Pull-Schaltkreises, besonders be- vorzugt durch den Einsatz einer Ladungspumpe.

In einem bevorzugten weiteren Schritt erfolgt das Anpassen der Steuerimpulse im zweiten Zustand des Push-Pull-Schaltkreises, bevorzugt durch Änderung der Flankensteilheit oder der Pulsdauer der Steuerimpulse, die am ersten An- schluss der Leuchtdiode anliegen.

Der Vollständigkeit halber und um Eindeutigkeit zu schaffen, wird darauf hinge- wiesen, dass die Leuchtdiode elektromagnetische Strahlung abgibt, wenn sie mit positiver elektrischer Energie versorgt wird. Zwar ist es theoretisch richtig, dass eine LED auch elektromagnetische Strahlung in geringem Maße emittiert, wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt ist. Diese nur theoretische Betrachtung wurde außer Acht gelassen, sodass die Leuchtdiode hier insoweit als Ideal be- trachtet wird, dass sie nur bei Bestromung in einer Richtung Licht emittiert, was dem praxisrelevanten Fall entspricht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbei- spiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrie- ben und erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtquelle; Figur 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtquelle;

Figur 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtquelle;

Figur 4 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtquelle mit Ladungspumpen; Figur 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtquelle;

und

Figur 6 die Simulation des Stroms durch eine LED der erfindungsgemäßen

Lichtquelle im Vergleich zu zwei LEDs mit anderen Anschaltungen.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtquelle mit einem Push-Pull-Schalt- kreis 2 und einer Leuchtdiode 3. Der Push-Pull-Schaltkreis 2 dient zur Ansteu- erung und Energieversorgung der Leuchtdiode 3.

Die Leuchtdiode hat einen ersten Anschluss 10, der die Anode ist. Ein zweiter Anschluss 12 der Leuchtdiode 3 bildet die Kathode. Der erste Anschluss 10 der Leuchtdiode 3 ist mit einem Ausgangsport 20 des Push-Pull-Schaltkreises 2 verbunden. Der zweite Anschluss 12 ist mit einer Mittenpotentialleitung 14 ver- bunden, die auch als Ground (GND) bezeichnet wird. Bevorzugt ist die Mitten- potentialleitung 14 die Systemmasse.

Der Push-Pull-Schaltkreis 2 weist einen ersten Eingangsport 22 und einen zwei- ten Eingangsport 24 auf. Der Push-Pull-Schaltkreis 2 hat zwei Schaltelemente 26. Das Schaltelement 26 zwischen dem ersten Eingangsport 22 und dem Aus- gangsport 20 ist ein erster Transistor 28. Zwischen dem Ausgangsport 20 und dem zweiten Eingangsport 24 ist das Schaltelement 26 ein zweiter Transistor 30. Die beiden Transistoren 28, 30 werden jeweils über einen Steueranschluss 32 und 34 gesteuert. Die Steueranschlüsse werden von einer Steuereinheit 36 gesteuert, die zur Ansteuerung der Lichtquelle 1 verwendet wird. Selbstver- ständlich kann entgegen der hier mit zwei Transistoren 28 und 30 realisierten Schaltung auch eine komplexere Verschaltung mit mehreren elektronischen Bauelementen gleicher Funktion verwendet werden.

Der erste Transistor 28 des Push-Pull-Schaltkreises 2 kann über den ersten Steueranschluss 32 mittels der ersten Steuerelektrode 38 in einen ersten oder einen zweiten Zustand geschaltet werden. Im ersten Zustand des ersten Tran- sistors 28 ist der erste Eingangsport 22 des Push-Pull-Schaltkreises niederoh- miger mit dem Ausgangsport 20 verbunden als in einem zweiten Zustand. Der niederohmige Zustand, in dem der erste Transistor 28 durchschaltet, wird als An-Zustand bezeichnet. In diesem Fall ist der erste Eingangsport 22 mit der ersten Versorgungsleitung 42 verbunden. Das Potential der ersten Versor- gungsleitung 42, auch VCC genannt, ist positiv, sodass eine positive Spannung an der Anode (erster Anschluss 10) der Leuchtdiode 3 anliegt und die Leucht- diode 3 elektromagnetische Strahlung in Form von Licht (sichtbar oder nicht sichtbar) oder Infrarotstrahlung oder ultravioletter Strahlung abgibt.

Wenn die erste Steuerelektrode 38 den ersten Transistor 28 hochohmig schal- tet, jedenfalls hochohmiger als im ersten Zustand, wird ein zweiter Zustand des ersten Transistors 28 erreicht, der als Aus-Zustand bezeichnet wird. Die erste Versorgungsleitung 42 ist dann von dem Ausgangsport 20 des Push-Pull- Schaltkreises 2 getrennt, jedenfalls derart hochohmig, dass die Leuchtdiode 3 nicht leuchtet und keine oder eine in der Praxis nur vernachlässigbare elektro- magnetische Strahlung abgibt.

Der zweite T ransistor 30 kann ebenfalls von der Steuereinheit 36 über den zwei- ten Steueranschluss 34 und eine zweite Steuerelektrode 40 in einen niederoh- migen An-Zustand oder einen hochohmigen Aus-Zustand geschaltet werden. Im An-Zustand ist der zweite Transistor niederohmiger als im Aus-Zustand, so- dass der Ausgangsport 20 mit einer zweiten Versorgungsleitung 44 über den zweiten Eingangsport 24 verbunden ist. Die zweite Versorgungsleitung 44 wird auch als (-VCC) bezeichnet und hat ein Potential, das geringer ist als das Po- tential der ersten Versorgungsleitung 42. Vorzugsweise ist das Potential der zweiten Versorgungsleitung 44 negativ. Das Potential der Mittenpotentialleitung 14 liegt zwischen dem Potential der ersten Versorgungsleitung 42 und dem Po- tential der zweiten Versorgungsleitung 44.

Im Aus-Zustand ist die zweite Versorgungsleitung 44 über den niederohmig ge- schalteten zweiten Transistor 30 mit dem Ausgangsport 20 verbunden, sodass das negative Potential an dem ersten Anschluss 10 (Anode) der Leuchtdiode 3 anliegt. Die Leuchtdiode 3 wird somit in Sperrrichtung betrieben.

In einem ersten Zustand des Push-Pull-Schaltkreises 2 ist der erste Transistor 28 niederohmig, während der zweite Transistor 30 hochohmig geschaltet ist. Dies erfolgt durch die Steuereinheit 36, die Teil der Lichtquelle 1 sein kann, oder ein separates Bauteil. Im ersten Zustand des Push-Pull-Schaltkreises 2 strahlt die Leuchtdiode 3 elektromagnetische Strahlung ab.

In einem zweiten Zustand des Push-Pull-Schaltkreises ist der zweite Transistor 30 niederohmig geschaltet, während der erste Transistor 28 hochohmig ge- schaltet ist. An der Anode der Leuchtdiode 3 liegt dann das negative Potential der zweiten Versorgungsleitung 44 an. Die Leuchtdiode 3 wird in Sperrrichtung betrieben, sodass in der Sperrkapazität der Leuchtdiode 3 befindliche Ladung ausgeräumt werden kann.

In einem dritten Zustand des Push-Pull-Schaltkreises 2 sind beide Transistoren 28 und 30 hochohmig geschaltet, sodass keine Verbindung zu einer der beiden Versorgungsleitungen 42, 44 besteht. Um das Problem einer großen Diodenka- pazität der Leuchtdiode 3 zu lösen, die zu einer großen Trägheit des Leuchtim- pulses der Leuchtdiode 3 führt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Betrag der Potentialdifferenz zwischen dem Potential der ersten Versorgungs- leitung 42 und dem Mittenpotential der Mittenpotentialleitung 14 kleiner ist als der Betrag der Potentialdifferenz zwischen dem Potential der zweiten Versor- gungsleitung 44 und dem Mittenpotential der Mittenpotentialleitung 14. Diese Bedingung widerspricht den im Stand der Technik aufzufindenden Aussagen, dass eine hohe Sperrspannung lebensdauervermindernd sei und daher zu ver- meiden sei. Der Push-Pull-Schaltkreis 2 kann nur für eine bestimmte Zeitdauer in den zwei- ten Zustand geschaltet werden, bei dem das Potential der zweiten Versor- gungsspannung 44 an dem ersten Anschluss 10 der Leuchtdiode 3 anliegt. So- bald die Raumladungszone bzw. die Sperrschichtkapazität der Leuchtdiode 3 leergeräumt ist, sich also keine freien Ladungsträger mehr in der Raumladungs- zone befinden, muss der zweite Zustand des Push-Pull-Schaltkreises 2 been- det werden. Dazu kann beispielsweise der Entladestrom in der Leuchtdiode 3 gemessen werden oder die über der Leuchtdiode 3 abfallende Spannung. Sind alle Parameter und parasitären Parameter der Beschaltung der Lichtquelle 1 bekannt, so lässt sich die Zeitdauer zum Betreiben des Push-Pull-Schaltkreises 2 im zweiten Zustand ermitteln und der zweite Zustand nach der vorgegebenen Zeit beenden.

Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Licht quelle 1 , bei der der erste Anschluss 10 der Leuchtdiode 3 (Anode) über eine Zuleitung 46 mit einer dritten Versorgungsleitung 48 verbunden ist. In der Zu- leitung 46 wird der Schalter 50 angeordnet, der auch in Form eines Transistors ausgebildet sein kann. Das Schließen des dritten Schalters 50 stellt die Verbin- dung der Anode der Leuchtdiode 3 mit der dritten Versorgungsleitung 48 her. Bevorzugt ist beim Schließen des dritten Schalters 50 der Push-Pull-Schaltkreis 2 in den dritten Zustand geschaltet. Die Leuchtdiode 3 wird dann von der dritten

Versorgungsleitung 48 mit Energie versorgt. Dies ist der Fall, wenn die Leucht- diode 3 beispielsweise im Dauerbetrieb für Beleuchtungszwecke eingesetzt wird, etwa als Scheinwerfer eines Fahrzeugs. Bevorzugt ist das Potential der dritten Versorgungsleitung 48 positiv. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Betrag der Spannungsdifferenz zwischen dem Potential der dritten Versorgungsleitung 48 und dem Potential der Mittenpotentialleitung 14 kleiner als der Betrag der Spannungsdifferenz zwi- schen dem Potential der zweiten Versorgungsleitung 44 und dem Potential der Mittenpotentialleitung 14. Figur 3 zeigt eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform, bei der im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Figur 1 zusätzlich eine Kurzschlussleitung 52 über die Leuchtdiode 3 geschaltet ist. Die Kurzschlussleitung 52 weist einen vierten Schalter 54 auf, der als Kurzschlussschalter bezeichnet wird. Durch Schließen des vierten Schalters 54 kann die Leuchtdiode 3 und deren Raumladungszone normalisiert werden, um Lawineneffekte, insbesondere am Rand der Raumla- dungszone, zu verhindern. Die "Normalisierung" erfolgt nach dem Ausräumen der Ladungsträger aus der Raumladungszone bzw. Sperrschichtkapazität. Be- vor der vierte Schalter 54 geschlossen werden kann, muss der Push-Pull- Schaltkreis 2 in seinen dritten Zustand geschaltet werden, sodass sein Aus- gangsport 20 mit keiner der beiden Versorgungsleitungen 42, 44 verbunden ist.

Selbstverständlich lassen sich die Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 mit- einander kombinieren, sodass die Kurzschlussleitung 52 auch dann vorgese- hen werden kann, wenn die Leuchtdiode 3 zusätzlich mit einer dritten Versor- gungsleitung 48 verbunden ist.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Lichtquelle 1 , bei der zwischen dem ersten Eingangsport 22 des Push-Pull-Schaltkreises 2 und der ersten Ver- sorgungsleitung 42 eine erste Ladungspumpe 56 angeordnet ist, um das Po- tential der ersten Versorgungsleitung 42 zu erhöhen. Die Ladungspumpe 56 dient der Spannungserhöhung, wodurch die Potentialdifferenz zwischen dem ersten Eingangsport 22 des Push-Pull-Schaltkreises und dem Potential der Mit- tenpotentialleitung 14 erhöht wird.

Zwischen der zweiten Versorgungsleitung 44 und dem zweiten Eingangsport 24 des Push-Pull-Schaltkreises ist gemäß Figur 4 eine zweite Ladungspumpe 58 vorgesehen, um den Betrag des Potentials am zweiten Eingangsport 24 zu erhöhen. Somit ist die Potentialdifferenz zwischen dem ersten Eingangsport 22 und dem zweiten Eingangsport 24 bei Verwendung der beiden Ladungspumpen 56 und 58 größer als die Potentialdifferenz zwischen der ersten Versorgungs- leitung 42 und der zweiten Versorgungsleitung 44. Selbstverständlich ist es auch möglich, nur eine Ladungspumpe zu verwenden, beispielsweise die erste Ladungspumpe 56, wenn ein möglichst schnelles Ein- schalten der Leuchtdiode 3 realisiert werden soll. Eine andere Möglichkeit ist es, nur die zweite Ladungspumpe 58 zu verwenden, wenn die Leuchtdiode 3 besonders schnell ausgeschaltet werden soll und dazu eine hohe Gegenspan- nung in Sperrrichtung an der Leuchtdiode 3 anliegen muss.

Da Ladungspumpen generell typischerweise nur eine geringe Ladungsspei- cherkapazität aufweisen, sind sie für eine dauerhafte Beleuchtung typischer- weise nicht geeignet. Bei einem gemischten Betrieb für Messzwecke und Be- leuchtungszwecke sollte deshalb der Push-Pull-Schaltkreis 2 in seinem dritten Zustand betrieben werden, beispielsweise durch Einsatz eines Multiplexers.

Selbstverständlich kann die Verwendung der Ladungspumpen 56 und 58 mit einer oder beiden der Ausführungsformen gemäß Figur 2 oder 3 kombiniert werden. Figur 5 zeigt eine spezielle bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Die Steu- ereinheit 36 signalisiert über eine Zustands- und/oder Synchronisationssignali- sierung 61 an einen Regler 60, in welchem Zustand sich die Vorrichtung (Licht quelle 1 ) befindet. Dies kann ein erster Zustand sein, in dem der erste Transistor (T1 ) 28 leitet und der zweite Transistor (T2) 30 sperrt. Dies kann ein zweiter Zustand sein, in dem der erste Transistor 28 sperrt und der zweite Transistor 30 leitet. Dies kann ein dritter Zustand sein, in dem der erste Transistor 28 sperrt und der zweite Transistor 30 sperrt. Nach dem Einschalten der LED (Leuchtdi- ode 3) im ersten Zustand für einen ersten Zeitraum Ti folgt der zweite Zustand für einen zweiten Zeitraum T ₂ und dann der dritte Zustand für einen dritten Zeit- raum T ₃ . Bevorzugt misst nun eine Messvorrichtung oder der Regler 60 zu ei- nem Messzeitpunkt im dritten Zeitraum T ₃ , in dem sich der Push-Pull-Schalt- kreis 2 und somit die Lichtquelle 1 im dritten Zustand befindet, die LED- Restspannung am ersten Anschluss 10 der Leuchtdiode 3 gegen das Bezugs- potential (Mittenpotentialleitung 14 bzw. Systemmasse oder GND). Ist diese LED-Restspannung positiv, so wurden nicht alle Ladungsträger der Raumladungszone der Leuchtdiode 3 ausgeräumt. Der Regler 60 erhöht dann die Ladungsentnahme im zweiten Zustand oder erniedrigt die Ladungsspeiche- rung im ersten Zustand. Die Erhöhung der Ladungsentnahme ist bevorzugt. Eine erste Möglichkeit ist, dass der Regler 60 zur Erhöhung der Ladungsent- nahme den zweiten Zeitraum T ₂ verlängert. Hierzu signalisiert der Regler 60 über eine erste Signalisierungsleitung 62 diese Verlängerung des zweiten Zeit raums T ₂ an die Steuereinheit 36.

Eine zweite Möglichkeit ist, dass der Regler 60 zur Erhöhung der Ladungsent- nähme die negative Spannung am zweiten Eingangsport 24 des Push-Pull- Schaltkreises 2 weiter absenkt, also den Betrag der negativen Spannung er- höht. Hierzu signalisiert der Regler 60 beispielsweise über eine zweite Signali- sierungsleitung 63 diese Absenkung an die zweite Ladungspumpe 58 oder eine andere geeignete Spannungsregelung des Potentials des zweiten Eingangs- ports 24.

Eine dritte, weniger bevorzugte Möglichkeit ist, dass der Regler 60 zur Ernied- rigung der Ladungsspeicherung die positive Spannung an dem ersten Ein- gangsport 22 absenkt. Hierzu signalisiert der Regler 60 beispielsweise über eine dritte Signalisierungsleitung 64 diese Absenkung an die erste Ladungs- pumpe 56 oder eine andere geeignete Spannungsregelung des Potentials des ersten Eingangsports 22.

Ist die LED-Restspannung negativ, so wurden zu viele Ladungsträger der Raumladungszone der Leuchtdiode 3 ausgeräumt. Der Regler 60 erniedrigt dann die Ladungsentnahme im zweiten Zustand des Push-Pull-Schaltkreises 2 oder erhöht die Ladungsspeicherung im ersten Zustand des Push-Pull-Schalt- kreises 2. Die Erniedrigung der Ladungsentnahme ist bevorzugt.

Eine weitere bevorzugte Möglichkeit zur Regelung der Ruhespannung der Leuchtdiode 3 besteht darin, dass der Regler 60 zur Erniedrigung der Ladungs- entnahme den zweiten Zeitraum T ₂ verkürzt. Hierzu signalisiert der Regler 60 über die erste Signalisierungsleitung 62 diese Verkürzung des zweiten Zeit- raums T ₂ an die Steuereinheit 36.

Eine andere bevorzugte Möglichkeit ist, dass der Regler 60 zur Erniedrigung der Ladungsentnahme die negative Spannung am zweiten Eingangsport 24 weiter erhöht, also den Betrag der negativen Spannung verringert. Hierzu sig nalisiert der Regler 60 beispielsweise über die zweite Signalisierungsleitung 63 diese Erhöhung an die zweite Ladungspumpe (58) oder eine andere geeignete Spannungsregelung des Potentials des zweiten Eingangsports 24.

Eine dritte, weniger bevorzugte Möglichkeit besteht darin, dass der Regler 60 zur Erhöhung der Ladungsspeicherung die positive Spannung an dem ersten Eingangsport 22 erhöht. Der Regler 60 signalisiert beispielsweise über die dritte Signalisierungsleitung 64 diese Erhöhung der Spannung an die erste Ladungs- pumpe 56 oder eine andere geeignete Spannungsregelung des Potentials an dem ersten Eingangsport 22. Bevorzugt liegt der Messzeitpunkt vor dem Ende des dritten Zeitraums und nach dem Ende des dritten Zeitraums T ₃ und nach dem Einschwingen des Po- tentials am ersten Anschluss 10 der Leuchtdiode 3.

Bevorzugt ist der Regler 60 ein PID-Regler oder ein Regler mit integrierender Regelcharakteristik, der die LED-Restspannung auf Null regelt. Selbstverständlich kann die Anpassung und Regelung der Ruhespannung der Leuchtdiode 3 sowie die dazu notwendigen Bauteile nach Figur 5 mit einer oder mehreren der Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 bis 4 kombiniert wer- den. Auch ist es möglich, alle Ausführungsformen der Figuren 2 bis 5 zu kom- binieren. Figur 6 zeigt ein Zeitdiagramm einer Simulation von drei unterschiedlichen T rei- berschaltungen. Hierbei wird der Strom durch die Leuchtdiode 3 gemäß Figur 1 über der Zeit abgetragen. Bei Einsatz eines Stromtreibers mit 20 mA Stromstärke anstelle einer Push- Pull-Schaltung ergibt sich für die Leuchtdiode 3 die Stromkurve c gemäß Figur 5. Die Verwendung eines Spannungstreibers (3,3 V) führt zu einer Stromkurve b. Die erfindungsgemäße Push-Pull-Schaltung 2 mit einer Maximalspannung von 40 V erzeugt die Kurve a. Wie deutlich zu erkennen ist, erzeugt das vorge- schlagene Verfahren und die Verwendung eines Push-Pull-Schaltkreises 2, bei dem das Ausschalten der Leuchtdiode 3 durch Anlegen einer negativen Span- nung aus der zweiten Versorgungsleitung 44 erfolgt, zu einem deutlich kürzeren Puls der Leuchtdiode 3 und zu einem schnellen Abschalten.