DE10160169C2

DE10160169C2 - Beleuchtungsvorrichtung für den Innenraum eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE10160169C2
Application number: DE10160169A
Authority: DE
Inventors: Frank Gronemeier
Original assignee: Goodrich Hella Aerospace Lighting Systems GmbH
Current assignee: Goodrich Lighting Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2021-12-08
Also published as: DE10160169A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für den Innenraum eines Fahrzeuges und insbesondere für eine Flugzeugkabine.

DE 198 04 891 A1 zeigt eine LED-Beleuchtungsanordnung für eine Anzeige vorrichtung in einem Fahrzeug, wobei ein Bipolar-Transistor den Stromfluss durch die Leuchtdioden regelt.

Es ist ferner bekannt, im Innenraum von Fahrzeugen zur Beleuchtung und ins besondere als Leselampen Leuchtdioden (LED) einzusetzen. Derartige Leucht dioden sind an einem Gleichstromnetz angeschlossen und werden über eine Konstantstromquelle betrieben, um unterschiedlichen Vorwärtsspannungen sowie der Charakteristik von Leuchtdioden Rechnung zu tragen. Auf Grund ihrer hohen Lichtabgabe werden zu Beleuchtungszwecken insbesondere Hoch leistungs-Leuchtdioden mit einer elektrischen Leistung von etwa 1 W einge setzt, die bei einem Strom von etwa 300 bis 400 mA eine Vorwärtsspannung von etwa 2 bis 4 V aufweisen.

Wird eine derartige Hochleistungs-Leuchtdiode für eine Einzelapplikation be schaltet, so würden nicht unbeträchtliche Verlustleistungen in der Vorbeschal tung (durch Widerstände oder lineare Konstantstromquellen) entstehen, da die Differenz aus der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode und der Bordnetzspan nung (im Kraftfahrzeug 12 V bzw. 42 V, bei Lkw 24 V und bei Flugzeugen 28 V) multipliziert mit dem Strom in Wärme umgesetzt werden muss. Dies wie derum führt insbesondere bei kleinen Applikationen zu einer derart starken Erwärmung, dass der Betrieb der Leuchtdiode und somit der ganzen Applika tion gefährdet sein.

Bei Verwendung von Hochleistungs-Leuchtdioden ist es somit abhängig von der Applikation empfehlenswert, effiziente Stromquellen zu verwenden, bei denen die Differenz der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode und der Eingangs pannung der Energieversorgung nicht in Wärme umgesetzt wird. Hierzu können beispielsweise Schaltregler eingesetzt werden. Deren Schaltungsprinzip ist jedoch vergleichsweise aufwändig und teuer.

Werden nun in einem Fahrzeug mehrere Lichtquellen verwendet, die auf Basis von Hochleistungs-Leuchtdioden arbeiten, und sollen diese Lichtquellen einzeln ein- und ausgeschaltet und/oder gedimmt werden können, so ist es bekannt, jede Leuchtdiode mit einer eigenen Konstantstromquelle zu betreiben, was ebenfalls recht aufwändig und damit teuer ist.

Aus DE-A-198 43 330 ist es bekannt, mehrere Leuchtdioden in Reihe zu schalten und diese Reihenschaltung an eine Konstantstromversorgungseinheit anzuschließen. Allerdings lassen sich mit dieser bekannten Beschaltung ledig lich sämtliche Dioden ein- oder ausschalten. Das Ausschalten einzelner der in Reihe geschalteten Leuchtdioden mit der Folge, dass die anderen Leuchtdioden eingeschaltet bleiben, ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Beleuchtungsvorrichtung für den Innenraum eines Fahrzeuges zu schaffen, die eine Einzelbetätigung von Leuchtdioden bei Verwendung einer einzigen Energieversorgungseinheit für eine Vielzahl von Leuchtdioden ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Beleuchtungsvorrich tung für den Innenraum eines Fahrzeuges, insbesondere für eine Flugzeugka bine, vorgeschlagen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung versehen ist mit

- einer Energieversorgungseinheit, die einen Eingang für eine Versorgungs spannung aufweist und an einem Ausgang eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom liefert, und
- mehreren Leuchtdioden, die jeweils eine im wesentlichen gleiche Vor wärtsspannung aufweisen und in Reihe geschaltet sind, wobei diese Rei henschaltung an dem Ausgang der Energieversorgungseinheit ange schlossen ist,
- wobei parallel zu jeder Leuchtdiode ein Schalter zum wahlweisen Über brücken der betreffenden Leuchtdiode geschaltet ist und
- wobei die Energieversorgungseinheit die Ausgangsspannung automatisch auf einen Wert, der mindestens gleich der Summe der Vorwärtsspannun gen der nicht überbrückten Leuchtdioden ist, und den Ausgangsstrom auf einen von der Ausgangsspannung unabhängigen, im wesentlichen kon stanten Wert regelt.

Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist eine Reihenschaltung von Leuchtdioden mit dem Ausgang einer Energieversorgungseinheit verbun den. Parallel zu jeder Leuchtdiode ist jeweils ein EIN/AUS-Schalter geschaltet. Mit anderen Worten ist also an den Ausgang der Energieversorgungseinheit eine Reihenschaltung aus Einzelparallelschaltungen angeschlossen, von denen jede eine Leuchtdiode und einen parallel zu dieser geschalteten EIN/AUS- Schalter aufweist.

Bei der Energieversorgungseinheit handelt es sich um eine Konstantstromver sorgungseinheit, die unabhängig von der aktuellen Ausgangsspannung einen im wesentlichen konstanten Ausgangsstrom liefert. Bei der hier zum Einsatz kommenden Energieversorgungseinheit handelt es sich beispielsweise um eine Konstantstromquelle auf Schaltregler-Basis (d. h. mit schaltbarem Spannungs wandler). Die Energieversorgungseinheit stellt selbsttätig ihre Ausgangsspan nung auf einen Wert ein, der mindestens gleich der Anzahl der nicht über brückten Leuchtdioden multipliziert mit der Vorwärtsspannung ist. Zur Nach führung der Ausgangsspannung wird der von der Energieversorgungseinheit aktuell gelieferte Ausgangsstrom gemessen. Wird nun eine der Leuchtdioden durch Schließen des parallel geschalteten Schalters kurzgeschlossen bzw. durch Öffnen des parallel geschalteten Schalters stromdurchflossen, so steigt bzw. sinkt der Ausgangsstrom an bzw. ab. Dies wird erkannt und zur Nach führung bzw. Anpassung der Ausgangsspannung verwendet, indem ein insbe sondere DC/DC-Wandler der Energieversorgungseinheit entsprechend ange steuert wird.

Durch die zu den einzelnen Leuchtdioden parallel geschalteten EIN/AUS- Schalter wird eine Einzelbedienbarkeit und somit eine unabhängige Bedienbar keit sämtlicher Leuchtdioden erreicht, wobei sämtliche einzeln schaltbare Leuchtdioden von einer gemeinsamen Energieversorgungseinheit versorgt werden. Diese Energieversorgungseinheit weist einen entweder als Aufwärts- oder als Abwärtswandler ausgebildeten Spannungswandler auf, der bei jeder beliebigen Spannung zwischen 0 V und seiner maximalen Ausgangsspannung einen konstanten Strom liefert. Sollten sämtliche Leuchtdioden eingeschaltet sein, so treibt der Wandler diese Last bei maximaler Leistung, d. h. es fließt der maximale Eingangsstrom (bei konstanter Eingangsspannung, mit der der Wandler versorgt wird). Sind sämtliche Leuchtdioden ausgeschaltet, so treibt der Wandler einen Strom von einigen mA und seine Ausgangsspannung ist nahezu oder gleich 0 V. Somit entscheidet die Effizienz des Wandlers über die Stromaufnahme und damit über die Verlustleistung. Da die Stromaufnahme aber verhältnismäßig gering ist, ist somit auch die Verlustleistung verhältnis mäßig gering.

Als EIN/AUS-Schalter können mechanische Schalter, elektromechanische Schalter (z. B. Relais) oder elektronische Schalter mit Treiber verwendet wer den. Bei Verwendung elektromechanischer und elektronischer Schalter ist es möglich, eine defekte Leuchtdiode über den Schalter dauerhaft zu über brücken. Somit kann verhindert werden, dass bei Ausfall einer Leuchtdiode der gesamte Stromkreis unterbrochen ist. Die Diagnose der einzelnen Leucht dioden erfolgt dabei (z. B. von Zeit zu Zeit) durch Auswertung des Stroms bei eingeschalteter und ausgeschalteter Leuchtdiode. Werden elektronische Schalter verwendet, so kann zusätzlich noch über eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) (z. B. mit 100 Hz) eine Dimmung realisiert werden. Dabei kann sowohl ein einziger PWM-Dimmer für sämtliche parallel geschalteten Leuchtdioden als auch für jede Leuchtdiode ein separater PWM-Dimmer verwendet werden. Die PWM-Signale können auch unterschiedlich sein, um einige der Leuchtdioden einzeln dimmen zu können. Als Beispiel für einen elektronischen Schalter sei hier ein Bipolar-Transistor, ein MOSFET oder ein Solid-State-Relais genannt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen dabei:

Fig. 1 bis 4 Schaltungskonzepte zur Ansteuerung mehrerer einzeln kontrollier barer Leuchtdioden mit einer Konstantstromquelle auf Schaltregler- Basis und unterschiedlichen EIN/AUS-Schaltern für die einzelnen Leuchtdioden und

Fig. 5 ein Beispiel für die Ausführung der Konstantstromquelle auf Schaltregler-Basis.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrich tung 10 für den Innenraum eines Fahrzeuges (beispielsweise Flugzeugkabine, Innenraum eines Reisebusses oder Van) ist in Fig. 1 gezeigt. Die Beleuch tungsvorrichtung 10 weist mehrere Hochleistungs-Leuchtdioden 12, 14, 16 auf, über denen während des Betriebs jeweils eine Vorwärtsspannung U_F abfällt. Parallel zu jeder Leuchtdiode 12 ist ein mechanischer EIN/AUS-Schalter 18, 20, 22 geschaltet. Obwohl in Fig. 1 lediglich drei Einheiten aus Leuchtdiode und parallel geschaltetem Schalter gezeigt sind, ist bei 24 angedeutet, dass die Beleuchtungsvorrichtung 10 mehr als diese drei Einheiten aufweist.

Die Reihenschaltung aus den Einzelparallelschaltungen, die ihrerseits jeweils aus einer Leuchtdiode und einem Schalter bestehen, ist mit dem Ausgang 26 einer Energieversorgungseinheit 28 verbunden, deren Eingang 30 mit einer Eingangsspannung U_IN versorgt wird, bei der es sich beispielsweise um die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeuges oder Flugzeuges handelt. Die Ener gieversorgungseinheit 28 erzeugt an ihrem Ausgang 26 die Ausgangsspannung U_OUT sowie einen konstanten Ausgangsstrom I_CONST.

Durch wahlweises Einschalten der Schalter 18 bis 22 können einzelne der Leuchtdioden 12 bis 16 kurzgeschlossen und damit ausgeschaltet werden. Die Veränderung des bei Betätigung eines oder mehrerer Schalter 18 bis 22 sich verändernden Stroms wird in der Energieversorgungseinheit 28 erkannt. In Abhängigkeit von der Stromveränderung wird dann die Ausgangsspannung U_OUT nachgeführt, so dass diese Ausgangsspannung U_OUT jeweils gleich bzw. geringfügig größer als die Summe der Vorwärtsspannungen U_F der einge schalteten Leuchtdioden 12 bis 16 ist. Darüber hinaus wird der sich ver ändernde Strom wieder auf den konstanten Ausgangsstrom I_CONST eingeregelt.

Ein Beispiel für die Ausführung der Energieversorgungseinheit 28 ist in Fig. 5 gezeigt. Am Eingang 30 der Energieversorgungseinheit 28 befindet sich ein EMV-Filter 32, dessen Ausgang mit einem Spannungswandler 34 verbunden ist, der in diesem Fall als DC/DC-Wandler ausgeführt ist. Dieser Wandler 34 gibt die Ausgangsspannung U_OUT und den Ausgangsstrom I_CONST aus. Über einem Shunt 36 erzeugt der Ausgangsstrom einen Spannungsabfall, der mit tels eines Verstärkers 38 verstärkt und dem Wandler 34 als Steuerspannung zugeführt wird. Sollte auf Grund des Zuschaltens einer Leuchtdiode 12 bis 16 der Ausgangsstrom sich (kurzzeitig) verringern, so wird dies durch den Shunt 36 detektiert und über den Verstärker 38 dem Wandler 34 zugeführt. Durch entsprechende Steuerung des Wandlers 34 erzeugt dieser dann am Ausgang 26 der Energieversorgungseinheit 28 eine erhöhte Ausgangsspannung U_OUT. Umgekehrt wird die Ausgangsspannung verringert, wenn über den Shunt 36 detektiert wird, dass beim Ausschalten einer der Leuchtdioden 12 bis 16 der Strom kurzzeitig ansteigt.

Wie man anhand von Fig. 5 ferner erkennt, ist die Energieversorgungseinheit 28 mit einer von der Eingangsspannung U_IN versorgten Hilfsenergieversor gungseinheit 40 versehen, die den Wandler 34 und den Verstärker 38 mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgt.

In den Fig. 2 bis 4 sind alternative Ausgestaltungen von Beleuchtungsvor richtungen 50, 60 und 70 gezeigt, wobei gleiche Funktionseinheiten und Bau teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind. Die Unter schiede dieser alternativen Ausgestaltungen sind in der Wahl der Schalter 18 bis 22 und deren Beschaltung zu sehen.

So sind im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 anstelle der mechanischen Schalter des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 elektromechanische Schalter 16 bis 20 verwendet, deren Schalter 51, 52, und 53 durch über eine Steuerspan nung U_C ansteuerbare Solenoide 54, 55 und 56 betätigbar sind.

Im Falle der Beleuchtungsvorrichtung 60 gemäß Fig. 3 sind die Schalter 16, 18, 20 durch elektronische Schalter 61, 62, 63 ersetzt, die über Treiber schaltungen 64, 65, 66 ansteuerbar sind, wobei diese Treiberschaltungen Signale 1, 2, 3 als Steuersignale empfangen. Bei den elektronischen Schaltern 61, 62 und 63 handelt es sich beispielsweise um Bipolar-Transistoren oder MOSFETs oder Solid-State-Relais. Bei Verwendung elektronischer Schalter sollten die entsprechenden Treiberschaltungen über eine Pegelanpassung vom eingehenden Steuersignal zur Gate-Source-Spannung bei MOSFETs oder Basis-Emitter-Spannung bei Bipolar-Transistoren verfügen.

Ein Vorzug der Verwendung von strom- bzw. spannungsgesteuerten Schaltern, wie dies bei den Beleuchtungsvorrichtungen 50 und 60 der Fig. 2 und 3 der Fall ist, ist darin zu sehen, dass dann, wenn eine (oder mehrere) der Leucht dioden ausfällt, die übrigen Leuchtdioden weiterhin in gewünschter Weise ein gesetzt werden können. Wird nämlich der Ausfall einer Leuchtdiode detektiert, was beispielsweise durch Untersuchung des Strom bei der betreffenden Leuchtdiode zugeordnetem ein- und ausgeschalteten Schalter und sonst un verändert gebliebener Beschaltung der anderen Leuchtdioden erfolgen kann, so kann der betreffende Schalter dauerhaft in den EIN-Zustand versetzt wer den, wodurch die Reihenschaltung wieder geschlossen ist.

Ein weiterer Vorzug der Verwendung gesteuerter Schalter wird bei Betrachtung des Ausführungsbeispiels der Beleuchtungsvorrichtung 70 gemäß Fig. 4 deut lich. Dieses Ausführungsbeispiel verfügt über eine Dimmerschaltung 72, die zusätzlich zu der Beschaltung gemäß Fig. 3 hinzugefügt ist. Die Dimmerschal tung 72 weist mehrere Ausgänge 74, 76, 78 auf, über die die Steuersignale 1 bis 3 für die Treiberschaltungen 64 bis 66 ausgegeben werden. Die Dimmer schaltung 72 übernimmt darüber hinaus optional auch die bereits oben be schriebene Diagnose, wozu sie mit der Energieversorgungseinheit 28 über die Leitung 80 verbunden ist. An den Ausgängen 74 bis 78 der Dimmerschaltung 72 können unterschiedliche PWM-Signale ausgegeben werden, um die einzel nen Leuchtdioden unterschiedlich dimmen zu können.

Neben den zuvor genannten Vorteilen der Verwendung gesteuerter Schalter ist als weiterer Vorteil anzumerken, dass die Schaltvorgänge "weich" gestaltet werden können. Damit wird das Ausmaß der Stromveränderung in der Reihen schaltung verringert, was eine verbesserte Ausregelung des Stroms I_CONST und der Ausgangsspannung U_OUT ermöglicht. Damit wiederum wird eine Verände rung der Lichtabgabe der eingeschalteten Leuchtdioden dann, wenn eine Leuchtdiode aus- oder eingeschaltet wird, verringert, was grundsätzlich von Vorteil ist. Darüber hinaus ist ein sanfter Schaltvorgang auch im Hinblick auf EMV-Gesichtspunkte von Vorteil.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Signal

2

Signal

3

Signal

10

Beleuchtungsvorrichtung

12

Hochleistungs-Leuchtdiode

14

Hochleistungs-Leuchtdiode

16

Hochleistungs-Leuchtdiode

18

EIN/AUS-Schalter

20

EIN/AUS-Schalter

22

EIN/AUS-Schalter

26

Ausgang

28

Energieversorgungseinheit

30

Eingang

32

EMV-Filter

34

Spannungswandler

36

Shunt

38

Verstärker

40

Hilfsenergieversorgungseinheit

50

Beleuchtungsvorrichtung

51

Schalter

52

Schalter

53

Schalter

54

Solenoid

55

Solenoid

56

Solenoid

60

Beleuchtungsvorrichtung

61

elektronische Schalter

62

elektronische Schalter

63

elektronische Schalter

64

Treiberschaltung

65

Treiberschaltung

66

Treiberschaltung

70

Beleuchtungsvorrichtung

72

Dimmerschaltung

74

Ausgang

76

Ausgang

78

Ausgang

80

Leitung

Claims

1. Beleuchtungsvorrichtung für den Innenraum eines Fahrzeuges, insbeson dere für eine Flugzeugkabine, mit
einer Energieversorgungseinheit (28), die einen Eingang (30) für eine Versorgungsspannung aufweist und an einem Ausgang (26) eine Aus gangsspannung und einen Ausgangsstrom liefert, und
mehreren Leuchtdioden (12, 14, 16), die jeweils eine im wesentlichen gleiche Vorwärtsspannung aufweisen und in Reihe geschaltet sind, wobei diese Reihenschaltung an dem Ausgang (26) der Energiever sorgungseinheit (28) angeschlossen ist,
wobei parallel zu jeder Leuchtdiode (12, 14, 16) ein Schalter (18, 20, 22, 51, 52, 53, 61, 62, 63) zum wahlweisen Überbrücken der be treffenden Leuchtdiode (12, 14, 16) geschaltet ist und
wobei die Energieversorgungseinheit (28) die Ausgangsspannung automatisch auf einen Wert, der mindestens gleich der Summe der Vorwärtsspannungen der nicht überbrückten Leuchtdioden (12, 14, 16) ist, und den Ausgangsstrom auf einen von der Ausgangsspannung unabhängigen, im wesentlichen konstanten Wert regelt.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit (28) eine Konstantstromquelle mit einem schaltbaren Spannungswandler (34) aufweist.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass als Leuchtdioden (12, 14, 16) Hochleistungs-Leuchtdioden mit einer elektrischen Leistung von etwa 1 W, einer Stromaufnahme von etwa 300 bis 400 mA und einer Vorwärtsspannung von etwa 2 bis 4 V sind.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schalter mechanische Schalter (18, 20, 22) sind.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schalter elektromechanische Schalter (51, 52, 53) sind.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schalter elektronische Schalter (61, 62, 63) sind.