DE102008027148A1 - Verfahren zum Betrieb einer Lichtquelle eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Als Leuchtmittel für Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen werden häufig LEDs eingesetzt und zur Helligkeitssteuerung mit einem PWM-Signal in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben. Die Helligkeit der Beleuchtungseinrichtung wird dabei in einem breiten Einstellbereich über die Pulsweite gesteuert. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass dadurch unerwünschte Nebeneffekte auf die menschliche Wahrnehmung entstehen können, beispielsweise wenn der Betrachter seinen Blick schnell über eine weit entfernte Lichtquelle bewegt. Dabei entsteht unabhängig von der Sehfrequenz des menschlichen Auges der Effekt, dass auf der Netzhaut einzelne Lichtinseln statt einer durchgehenden Bewegung bzw. eines durchgehenden Lichtbandes wahrgenommen werden. Dementsprechend kann dieser Effekt im Straßenverkehr beispielsweise durch Mehrfachwahrnehmung desselben Rücklichts zu Irritationen führen und birgt somit ein Gefährdungspotential. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, mehrere verschiedene Gruppen von LEDs dieser Lichtquelle zeitversetzt über unterschiedliche PWM-Signale, welche sich bevorzugt durch ihre Phasenlage unterscheiden, anzusteuern. Bevorzugt kann auf diese Weise eine zeitlich konstante Helligkeit erreicht werden, indem ein Puls eines PWM-Signals genau zu dem Zeitpunkt einsetzt, an dem ein Puls eines anderen PWM-Signals endet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Lichtquelle eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Rückleuchte eines Kraftfahrzeugs.
• Es ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10027478 A1 bekannt, als Leuchtmittel für Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen Leuchtdioden (LEDs) einzusetzen und diese LEDs zur Helligkeitssteuerung mit einem pulsweitenmodulierten (PWM) Signal eines Pulsmodulators zu betreiben, so dass sie in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden können. Dies hat vorteilhafte Auswirkungen auf ihre Lebensdauer und die Wärmeentwicklung. Insbesondere entstehen so auch keine Rückwirkungen der Wärme auf den Arbeitspunkt. Die Helligkeit der Beleuchtungseinrichtung wird dabei in einem breiten Einstellbereich über die Pulsweite bzw. über ein sogenanntes „Puls-Pause-Verhältnis” gesteuert.
• In Bezug auf die Auswirkungen eines durch eine solche pulsförmig betriebene LED-Lichtquelle erzeugten Lichtes auf die menschliche Wahrnehmung offenbart EP 1447650 A1 ein entsprechendes Messverfahren, das den Nachleuchteffekt der Rezeptoren des menschlichen Auges bei der Bestimmung der effektiven Lichtstärke berücksichtigt.
• Bezüglich des Betriebs einer Blinkleuchte eines Kraftfahrzeugs schlägt EP 1594346 A2 die Verwendung einer Aufdimmphase und einer Abdimmphase vor, wobei die Aufdimmphase und die Abdimmphase durch eine entsprechende Veränderung der Pulsweite des PWM-Signals geregelt werden. Dadurch wird das Ein- und Ausschaltverhalten einer Glühlampe simuliert, was der menschlichen Wahrnehmung entgegenkommt.
• WO 2007107958 A1 beschreibt eine PWM-Dimmersteuerung für LEDs.
• Außerdem offenbart WO 9411712 A1 ein Leuchtnormal mit einer LED, die mit einer Versorgungsspannung mit einstellbarem Puls-Pause-Verhältnis gespeist ist und deren Leuchtstärke aus dem Puls-Pause-Verhältnis der Versorgungsspannung bestimmt wird. Weiterhin offenbart WO 9411712 A1 , dass mehrere LEDs, die mit unterschiedlichen Puls-Pause-Verhältnissen betrieben werden, auf einem gemeinsamen Träger angebracht sind.
• Schließlich beschreibt WO 2008006518 A1 , wie in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer in Reihe geschaltete LEDs über eine Konstant-Stromquelle betrieben und über jeweilige Bypassschaltungen bei geringen Verlusten gezielt gesteuert werden können. In diesem Zusammenhang wird auch die Verwendung eines PWM-Steuersignals erwähnt. Die Frequenz soll dabei so hoch gewählt sein, dass die einzelnen Ein- und Ausschaltpulse vom Auge nicht mehr aufgelöst werden können.
• In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass die Verwendung eines PWM-Signals zum Betrieb von LEDs einer Lichtquelle unerwünschte Nebeneffekte auf die menschliche Wahrnehmung besitzt, wenn sich die Lichtquelle stark bewegt oder wenn der Betrachter seinen Blick schnell über die Lichtquelle, insbesondere über eine weit entfernte Lichtquelle, bewegt. Dabei entsteht unabhängig von der Sehfrequenz des menschlichen Auges der Effekt, dass auf der Netzhaut einzelne Lichtinseln statt einer durchgehenden Bewegung bzw. eines durchgehenden Lichtbandes wahrgenommen werden. Die Rückleuchte eines Fahrzeugs kann beispielsweise bei schneller Kopfdrehung des Betrachters durch das Nachleuchten der Rezeptoren des Auges des Betrachters zu einer gleichzeitigen Vielfachwahrnehmung derselben Rückleuchte führen. Dementsprechend kann dieser Effekt im Straßenverkehr zu Irritationen führen und birgt somit ein Gefährdungspotential.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, diesem Effekt entgegenzuwirken und gleichzeitig die Vorteile der eingangs erwähnten pulsmodulierten Ansteuerung des LEDs zu nutzen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
• Das Wesen der Erfindung besteht darin, mehrere verschiedene LEDs oder mehrere verschiedene Gruppen von LEDs dieser Lichtquelle zeitversetzt über unterschiedliche PWM-Signale, welche sich bevorzugt durch ihre Phasenlage unterscheiden, anzusteuern.
• Bevorzugt kann auf diese Weise eine zeitlich konstante Helligkeit erreicht werden, indem ein Puls eines PWM-Signals genau zu dem Zeitpunkt einsetzt, an dem ein Puls eines anderen PWM-Signals endet
• Die Erfindung besitzt gegenüber dem Stand der Technik Vorteile, die im folgenden erläutert werden.
• Das Verhältnis von der Dauer der tatsächlichen Lichtabstrahlung der gesamten Lichtquelle zu der Zeitdauer, in der sie gar kein Licht abstrahlt, verbessert sich zugunsten der Dauer der tatsächlichen Lichtabstrahlung.
• Der oben beschriebene Effekt, dass auf der Netzhaut einzelne Lichtinseln statt einer durchgehenden Bewegung bzw. statt eines ein durchgehenden Lichtbandes wahrgenommen werden, verringert sich oder ist gar nicht mehr wahrzunehmen.
• Insbesondere werden durch Nachleuchteffekte der Netzhaut verursachte stroboskopähnliche optische Effekte vermieden.
• Die Stromversorgung der Lichtquelle wird über die Zeit gleichmäßiger belastet.
• In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung können die verschiedenen LEDs oder Gruppen von LEDs zufällig über mehrere unterschiedliche PWM-Signale, welche keine definierte Phasen- und keine definierte Frequenzbeziehung zueinander besitzen, deren durchschnittliche Pulsweite und/oder Pulsfrequenz aber im zeitlichen Mittel ein Maß für die von der Lichtquelle abzugebende Lichtleistung darstellt, angesteuert werden.
• Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Im folgenden soll ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel die Erfindung anhand mehrerer Zeichnung erläutern.
• Dabei bedeuten:

U

– Spannung

V

– Volt

Uopt

– Spannung des optimalen Arbeitspunktes der LEDs

f

– Frequenz

ms

– Millisekunden

m

– Meter

s

– Sekunde

m/s

– Meter pro Sekunde

v

– Geschwindigkeit der Lichtquelle

• 1 stellt gemäß dem Stand der Technik ein PWM-Signal zur LED-Ansteuerung einer Lichtquelle und die entsprechenden Auswirkungen auf die optische Wahrnehmung einer solchen Lichtquelle, welche sich mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s bewegt, dar.
• 2 stellt ebenfalls gemäß dem Stand der Technik ein PWM-Signal zur LED-Ansteuerung dar. Allerdings besitzt dieses Signal eine Frequenz, die doppelt so hoch ist, wie die Frequenz des in 1 dargestellten PWM-Signals. Um den gleichen Lichtstrom zu erzeugen, halbiert sich dementsprechend die Pulsweite. Als Konsequenz ergibt sich in der Wahrnehmung eine größere Anzahl von Lichtinseln, die dementsprechend kleiner sind. Somit ändert sich nichts an dem Verhältnis zwischen der Dauer der tatsächlichen Lichtabstrahlung der gesamten Lichtquelle zu der Zeitdauer, in der sie gar kein Licht abstrahlt. Lediglich die zeitliche bzw. örtliche Verteilung der Lichtinseln ändert sich durch die Änderung der Frequenz des PWM-Signals.
• 3 stellt drei erfindungsgemäße PWM-Signale dar. Diese drei PWM-Signale steuern drei verschiedene Gruppen von LEDs einer Lichtquelle phasenversetzt an. Die Auswirkungen auf die optische Wahrnehmung einer solchen Lichtquelle, die sich mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s bewegt, wird im unteren Diagram dargestellt. Daraus wird ersichtlich, dass die Bereiche, in denen Helligkeit wahrgenommen wird, sich insgesamt über eine größeren Weg erstrecken, als entsprechende Bereiche in 1 oder in 2.
• 4 stellt erfindungsgemäß fünf solche PWM-Signale dar, die zusammen eine sogenannte „quasikontinuierliche” Helligkeitsverteilung bewirken, indem die positive Flanke eines Pulses eines PWM-Signals direkt an die negative Flanke eines anderen PWM-Signals anschließt. Der Bereich der Helligkeit erstreckt sich nun über den gesamten Weg einer solchen bewegten Lichtquelle.
• Ein Betrachter befindet sich beispielsweise im Abstand von 2,5 m zu der Strecke, auf der sich eine Lichtquelle quer zur Blickrichtung des Betrachters bewegt. Bei einer Geschwindigkeit von 10 m/s legt die Lichtquelle somit eine Entfernung von 5 Meter in 0,5 Sekunden zurück. Bei einer Frequenz des PWM-Signals von 20 Hz erfährt der Betrachter auf der Netzhaut im Stand der Technik 10 getrennte Lichtinseln über einen Öffnungswinkel von 90°.
• Zwar nimmt der Betrachter gemäß dem Stand der Technik bei einer erhöhten Frequenz von 40 Hz unter sonst gleichen Bedingungen 20 getrennte Lichtinseln über denselben Öffnungswinkel von 90° war, jedoch werden diese Lichtinseln im gleichen Verhältnis schmaler, sind also in diesem Fall etwa nur noch halb so breit. Das Verhältnis aus beleuchteten Bereichen der Netzhaut zu unbeleuchteten Bereichen der Netzhaut bleibt somit gleichermaßen unbefriedigend.
• Ein ähnlicher Effekt ist zu verzeichnen, wenn der Betrachter seinen Blick über die Lichtquelle während einer halben Sekunde um 90° bewegt. Dabei ist der Effekt jedoch unabhängig von der Entfernung des Betrachters zur Lichtquelle, findet also auch bei größeren Entfernungen statt.
• Bei größeren Entfernungen ist allerdings die Wahrnehmung der räumlichen Ausdehnung der Lichtquelle auf der Netzhaut geringer. Die Lichtquelle wird somit bei großen Entfernungen näherungsweise als Punktquelle wahrgenommen.
• Erfindungsgemäß werden nun mehrere verschiedene Gruppen von LEDs der Lichtquelle mit geeignet phasenverschobenen PWM-Signalen, wie sie in 3 oder in 4 dargestellt sind, angesteuert. Durch diese Phasenverschiebungen wird die tatsächliche Leuchtdauer der gesamten Lichtquelle über einen größeren Zeitbereich und somit über eine größere Wegstrecke und demzufolge auch über einen größeren Netzhautbereich des Auges des Betrachtes verteilt.
• Als ideal ist in diesem Fall das in 4 dargestellte Verfahren anzusehen. Ein Puls eines PWM-Signals beginnt genau zu dem Zeitpunkt, an dem ein anderer Puls eines anderen PWM-Signals endet.
• Auch ein weit entfernter Betrachter, der seinen Blick über eine so angesteuerte Lichtquelle bewegt, wird dementsprechend eine durchgehende Bewegung bzw. ein durchgehendes Lichtband wahrnehmen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - DE 10027478 A1 [0002]
• - EP 1447650 A1 [0003]
• - EP 1594346 A2 [0004]
• - WO 2007107958 A1 [0005]
• - WO 9411712 A1 [0006, 0006]
• - WO 2008006518 A1 [0007]

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb einer Lichtquelle eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Rückleuchte eines Kraftfahrzeugs, wobei als Leuchtmittel dieser Lichtquelle Leuchtdioden (LEDs) verwendet werden, wobei mehrere verschiedene dieser LEDs oder mehrere verschiedene Gruppen dieser LEDs getrennt ansteuerbar sind, wobei die LEDs pulsweitenmoduliert (PWM) im für sie geeigneten Arbeitspunkt betrieben werden und wobei die Helligkeit der Lichtquelle über mindestens ein Puls-Pause-Verhältnis gesteuert wird, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere verschiedene dieser LEDs oder mehrere verschiedene Gruppen dieser LEDs zeitversetzt über unterschiedliche PWM-Signale angesteuert werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich die besagten unterschiedlichen PWM-Signale durch ihre Phasenlage unterscheiden.
3. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass ein Puls eines der besagten PWM-Signale genau zu dem Zeitpunkt, an dem ein Puls eines anderen der besagten PWM-Signale endet, einsetzt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Phasenlagen und/oder die Frequenzen der besagten unterschiedlichen PWM-Signale mindestens einer statistischen Verteilung unterliegen.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die besagte mindestens eine statistische Verteilung die gewünschte Helligkeit erzeugt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass die besagte mindestens eine statistische Verteilung durch Wahl eines dazugehörigen Mittelwerts die gewünschte Helligkeit erzeugt.