Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Beleuchtung einer
Anzeigevorrichtung in einem Kraftfahrzeug mit Leuchtdioden gemäß dem
Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to a circuit arrangement for illuminating a
Display device in a motor vehicle with LEDs according to the
Preamble of the first claim.
In Kraftfahrzeugen werden zur Beleuchtung von Displays,
Einzelinstrumenten sowie auch von komplexen Kombiinstrumenten
zunehmend Leuchtdioden verwendet. Für diesen Zweck setzte man bislang
in ihrer Ansteuerung relativ anspruchslose Glühbirnen ein. Aus einem
Halbleitermaterial bestehende optoelektronische Leuchtmittel wie
Leuchtdioden erfordern jedoch im rauhen Milieu eines Kraftfahrzeuges
geeignete Schutzvorkehrungen, um für eine angemessene Gebrauchsdauer
eine zuverlässige Beleuchtung der Anzeigevorrichtung zu gewährleisten.
Störspannungen, die im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs unvermeidbar
auftreten und durchaus 100 V oder mehr betragen können, mögen zwar für
Glühbirnen völlig unkritisch sein, sie können sich jedoch äußerst schädigend
auf Leuchtdioden auswirken. Denn Störspannungen erzeugen in den
Leuchtdioden Sperrschichterwärmungen, die die Leuchtdichte der
Leuchtdiode kontinuierlich reduzieren, bis die Leuchtdiode schließlich
unbrauchbar wird.
In motor vehicles, for lighting displays,
Individual instruments as well as complex instrument clusters
LEDs are increasingly used. So far, this has been used
in their control relatively undemanding light bulbs. From a
Semiconductor material existing optoelectronic lamps such as
However, LEDs require in the harsh environment of a motor vehicle
Appropriate safeguards to keep for a reasonable period of use
to ensure reliable lighting of the display device.
Interference voltages that are unavoidable in the vehicle electrical system
occur and can be 100 V or more, may be for
Light bulbs can be completely uncritical, but they can be extremely damaging
affect LEDs. Because generate interference voltages in the
Light emitting diodes, which increase the luminance of the
Reduce the light emitting diode continuously until the light emitting diode finally
becomes unusable.
Bekannte Schaltungsanordnungen zur dimmbaren Beleuchtung einer
Anzeigevorrichtung in einem Kraftfahrzeug mit Leuchtdioden verwenden von
einem Mikroprozessor steuerbare Schalt-IC's. Diese
Schaltungsanordnungen erfassen zwar im allgemeinen über eine spezielle
Überwachungseinrichtung im Bordnetz auftretende Störspannungen, jedoch
bieten sie Leuchtdioden, die am Bordnetz eines Kraftfahrzeuges betrieben
werden, keinen ausreichenden Schutz vor der schädigenden Einwirkung der
genannten Störspannungen. Denn derartige Schaltungsanordnungen
überprüfen die Spannung des Bordnetzes nicht lückenlos, sondern aufgrund
ihrer digitalen Arbeitsweise in einem festgelegten Takt, z. B. alle 20 ms.
Störspannungen von kürzerer Dauer werden demnach nicht erfaßt. Darüber
hinaus haben diese Schaltungsanordnungen den Nachteil, daß sie nach der
Erfassung einer anhaltenden Störspannung die Leuchtdioden vom Bordnetz
nur abzuschalten vermögen, was dann jedoch zwangsläufig zu einem
ersichtlichen Beleuchtungsverlust führt. Diese Wirkung ist aber ein
bedeutender qualitativer Mangel für eine gattungsgemäße
Anzeigevorrichtung, weil der Kunde eine gleichbleibend gute Beleuchtung
der Anzeigevorrichtung erwartet, und zwar unabhängig davon, welche für ihn
üblicherwiese sonst unmerklichen Vorgänge sich im Bordnetz abspielen.Known circuit arrangements for dimmable lighting
Use display device in a motor vehicle with LEDs from
a microprocessor controllable switching IC's. This
Circuit arrangements generally record via a special one
Monitoring device interference voltages occurring in the vehicle electrical system, however
they offer light-emitting diodes that are operated on the vehicle electrical system
are not adequately protected against the harmful effects of
mentioned interference voltages. Because such circuit arrangements
check the voltage of the vehicle electrical system not completely, but based on
their digital way of working in a fixed cycle, e.g. B. every 20 ms.
Interference voltages of shorter duration are therefore not recorded. About that
In addition, these circuit arrangements have the disadvantage that they after
Detection of a persistent interference voltage the LEDs from the vehicle electrical system
can only switch off, which inevitably leads to one
visible loss of lighting leads. But this effect is
significant qualitative deficiency for a generic
Display device because the customer has consistently good lighting
expected of the display device, regardless of which one for him
Usually, otherwise imperceptible processes take place in the vehicle electrical system.
Neben den zuvor erwähnten Schaltungsanordnungen zur dimmbaren
Beleuchtung einer Anzeigevorrichtung gibt es zum Teil noch nicht dimmbare,
deren Marktbedeutung jedoch abnimmt. Bei diesen Schaltungsanordnungen
wird im Strompfad der Leuchtdioden ein ohmscher Widerstand mit einem
festen Wert verwendet, so daß die Leuchtdioden und der Widerstand eine
Reihenschaltung bilden, an der die Bordspannung des Kraftfahrzeugs
anliegt. Unter Berücksichtigung der Durchlaßspannung der Leuchtdioden,
die typischerweise im Bereich von 2 V liegt, wird der Widerstand so
dimensioniert, daß die Leuchtdioden beim Anliegen der nominalen
Bordspannung ihre volle Lichtstärke entfalten. Bei dieser Vorgehensweise ist
jedoch offensichtlich, daß die Leuchtdioden schon bei relativ kleinen
Überschreitungen des Nominalwertes der Bordspannung, welche sogar noch
in der normalen Schwankungsbreite der Bordspannung liegen mögen, im
Grenzbereich ihrer Spezifikation betrieben werden. Dieses trifft erst recht
beim Auftreten von Störspannungen zu, was aber sehr zu Lasten der
Lebensdauer der Leuchtdioden geht. Eine andere Dimensionierung des
Widerstandes wird deshalb nicht gewählt, um nicht Gefahr zu laufen, daß die
Leuchtdioden bei einem Einbruch der Bordspannung, der beispielsweise
durch das Einschalten starker elektrischer Verbraucher auftreten kann, zu
dunkel werden.In addition to the previously mentioned circuit arrangements for dimmable
Illumination of a display device is partly not yet dimmable,
however, their market importance is declining. With these circuit arrangements
there is an ohmic resistance with a in the current path of the LEDs
fixed value used, so that the LEDs and the resistance
Form series connection on the on-board voltage of the motor vehicle
is present. Taking into account the forward voltage of the LEDs,
which is typically in the range of 2 V, the resistance becomes like this
dimensioned that the LEDs when the nominal
On-board voltage unfold its full light intensity. With this procedure is
however, it is obvious that the light emitting diodes are already relatively small
Exceeding the nominal value of the on-board voltage, which even more
may lie in the normal fluctuation range of the on-board voltage, in
Operating limit range of their specification. This is all the more true
when interference voltages occur, which is very detrimental to the
Life of the LEDs goes. Another dimensioning of the
Resistance is therefore not chosen so as not to run the risk that the
LEDs when the on-board voltage drops, for example
by switching on strong electrical consumers can occur
getting dark.
Den beiden genannten Schaltungsanordnungen ist gemeinsam, daß sie nur
die an den Leuchtdioden an liegende Spannung beeinflussen. Eine auf dem
Prinzip der Spannungsregelung beruhende Lösung ist neben den zuvor
erwähnten Unzulänglichkeiten aber auch deshalb nachteilig, weil sich
Temperaturschwankungen und Bauteiletoleranzen an den Leuchtdioden
ebenfalls ungehindert ungünstig auf ihr Betriebsverhalten auswirken.The two circuit arrangements mentioned have in common that they only
affect the voltage at the LEDs. One on the
The principle of voltage regulation based solution is next to the one before
mentioned shortcomings also disadvantageous because
Temperature fluctuations and component tolerances on the LEDs
also have an unhindered adverse effect on their operating behavior.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Schaltungsanordnung zur Beleuchtung einer Anzeigevorrichtung in einem
Kraftfahrzeug mit Leuchtdioden aufzuzeigen, die eine weitgehend
gleichbleibende Beleuchtung der Anzeigevorrichtung sicherstellt, auch wenn
in dem Bordnetz, an dem die Leuchtdioden betrieben werden,
Störspannungen auftreten. Ferner soll die gesuchte Schaltungsanordnung
der Forderung gerecht werden, sich für eine in ihrer Lichtstärke regelbare
und dauerbetriebsfähige Beleuchtung der Anzeigevorrichtung zu eignen.Against this background, it is the object of the present invention, a
Circuit arrangement for illuminating a display device in one
Motor vehicle with LEDs to show a largely
ensures constant lighting of the display device, even if
in the electrical system on which the LEDs are operated,
Interference voltages occur. Furthermore, the circuit arrangement sought
meet the demand for an adjustable light intensity
and permanently operable lighting of the display device.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Die
abhängigen Ansprüche sind auf Weiterbildungen der gefundenen Lösung
gerichtet. Anhand von drei Figuren wird die Lösung nachstehend erläutert.
This object is achieved by the features of the first claim. The
dependent claims are on further developments of the solution found
directed. The solution is explained below using three figures.
Die Lösung ist gekennzeichnet durch einen den Stromfluß durch die
Leuchtdioden regelnden bipolaren Transistor, der gleichzeitig auch auf die
Leuchtdioden einwirkende Leistungsspitzen des Bordnetzes kompensiert.The solution is characterized by a current flow through the
Light emitting diodes regulating bipolar transistor, which at the same time also on the
Power peaks of the on-board electrical system acting on LEDs are compensated.
Der Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Lichtstärke einer
Leuchtdiode praktisch nur von ihrem Durchlaßstrom abhängt und selbst
geringe Schwankungen von der über der Leuchtdiode anliegenden
Spannung zu einer verhältnismäßig großen Leistungsänderung an der
Leuchtdiode führt, wie es in der Fig. 1 verdeutlicht wird. Dort ist in einem
vereinfachten Diagramm der qualitative Verlauf des Durchlaßstromes IF
einer Leuchtdiode über der Durchlaßspannung UF aufgetragen. Beispielhaft
wurde hier, wie es die gestrichelte Linie zeigt, von einem Nominalwert des
Durchlaßstromes IF von 20 mA und von einer Durchlaßspannung UF von 2,0
V ausgegangen. Deutlich erkennt man, daß selbst geringfügige
Spannungsschwankungen bereits große Änderungen beim Durchlaßstrom IF
hervorrufen. Aufgrund der Steilheit der Kennlinie des Durchlaßstromes IF =
f(UF) führen Schwankungen der Durchlaßspannung UF zu erheblichen
Leistungsänderungen an der Leuchtdiode, denn die Leistungsänderung
ergibt sich aus dem Produkt der Durchlaßspannung UF und dem daraus
resultierenden Durchlaßstrom IF. Diese Wirkung wird durch das von den
gepunkteten Linien eingefaßte Schwankungsband angezeigt. Diese Leistung
muß von der Leuchtdiode kompensiert werden. Zur Lichterzeugung ist
jedoch eine bestimmte Mindestleistung erforderlich.The solution is based on the knowledge that the light intensity of a light-emitting diode practically depends only on its forward current and even slight fluctuations in the voltage across the light-emitting diode lead to a relatively large change in power at the light-emitting diode, as is illustrated in FIG. 1. There, the qualitative profile of the forward current I F of a light-emitting diode is plotted against the forward voltage U F in a simplified diagram. As an example, as shown by the broken line, a nominal value of the forward current I F of 20 mA and a forward voltage U F of 2.0 V were assumed. It can clearly be seen that even slight voltage fluctuations already cause large changes in the forward current I F. Due to the steepness of the characteristic of the forward current I F = f (U F ), fluctuations in the forward voltage U F lead to considerable changes in the power of the light-emitting diode, because the change in power results from the product of the forward voltage U F and the resulting forward current I F. This effect is indicated by the fluctuation band bordered by the dotted lines. This power must be compensated for by the light emitting diode. However, a certain minimum output is required to generate light.
Eine durch eine Spannungsüberhöhung hervorgerufene Leistungsänderung
bewirkt in der Leuchtdiode eine unerwünschte Sperrschichterwärmung, die
sich schädlich auf die Lebensdauer der Leuchtdiode auswirkt. Zur Abhilfe
dieser nachteiligen Wirkung wird deshalb vorgeschlagen, den Stromfluß
durch die Leuchtdiode so zu regeln, daß der Durchlaßstrom IF möglichst
konstant bleibt. Denn aufgrund des Verlaufes der Kennlinie des
Durchlaßstromes IF sind kleine Schwankungen des Durchlaßstromes IF
erheblich unkritischer, so daß sich selbst eine verhältnismäßig einfache
Regelung des Durchlaßstromes IF schon sehr vorteilhaft auf das
Betriebsverhalten der Leuchtdioden auswirkt. Eine Stromregelung, die
überdies den Durchlaßstrom IF durch die Leuchtdiode gegenläufig zum
Verhalten der Betriebstemperatur regelt, trägt dazu bei, daß der maximal
zulässige Durchlaßstrom IF durch die Leuchtdiode auch nicht aufgrund von
thermischen Einflüssen überschritten wird.A change in power caused by an excess voltage causes undesirable heating of the layer in the light-emitting diode, which has a detrimental effect on the life of the light-emitting diode. To remedy this disadvantageous effect, it is therefore proposed to regulate the current flow through the light-emitting diode so that the forward current I F remains as constant as possible. Because due to the course of the characteristic of the forward current I F , small fluctuations in the forward current I F are considerably less critical, so that even a relatively simple regulation of the forward current I F has a very advantageous effect on the operating behavior of the LEDs. A current control, which also regulates the forward current I F through the light-emitting diode counter to the behavior of the operating temperature, helps to ensure that the maximum permissible forward current I F through the light-emitting diode is not exceeded due to thermal influences.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die gefundene Lösung. Die
Anodenseite einer Anordnung aus in Reihe und/oder parallel geschalteten
Leuchtdioden 1, 2, 3 und 4 wird mit dem positiven Potential der
Bordspannung UB verbunden, wohingegen die Kathodenseite der
Leuchtdiodenanordnung an den Kollektor eines bipolaren npn-Transistors 5
angeschlossen wird. Der Emitter des Transistors 5 führt den Kollektor-
Emitter-Strom über einen Widerstand 6 gegen Masse bzw. zum negativen
Potential der Bordspannung UB. Über die Basis des Transistors 5 kann die
Beleuchtung in ihrer Lichtstärke auf einfache Weise geregelt werden, indem
entweder, wie dargestellt, der Basisstrom des Transistors 5 mittels eines
Potentiometers 7 eingestellt wird oder aber ein von einer digitalen
Steuerschaltung generiertes, Pulsweiten moduliertes Signal auf die Basis
des Transistors 5 gegeben wird. In der Praxis kann das Potentiometer 7
durch einen vom Fahrer betätigbaren Drehsteller am Armaturenbrett
realisiert sein. Das Potentiometer 7 ist für den Zweck der
Beleuchtungseinstellung einerseits mit der Basis des Transistors 5 und
andererseits mit einer stabilen Gleichspannungsquelle Uconst verbunden. FIG. 2 shows an embodiment for the solution found. The anode side of an arrangement of light-emitting diodes 1 , 2 , 3 and 4 connected in series and / or in parallel is connected to the positive potential of the on-board voltage U B , whereas the cathode side of the light-emitting diode arrangement is connected to the collector of a bipolar npn transistor 5 . The emitter of transistor 5 carries the collector-emitter current through a resistor 6 to ground or to the negative potential of the on-board voltage U B. Via the base of the transistor 5 , the light intensity can be regulated in a simple manner either by setting the base current of the transistor 5 by means of a potentiometer 7 or, as shown, a pulse width modulated signal generated by a digital control circuit on the base of the transistor 5 is given. In practice, the potentiometer 7 can be implemented by a rotary actuator on the dashboard which can be actuated by the driver. For the purpose of adjusting the lighting, the potentiometer 7 is connected on the one hand to the base of the transistor 5 and on the other hand to a stable DC voltage source U const .
Die vorteilhafte Wirkung der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung beruht
darauf, daß Änderungen der Bordspannung UB kaum Änderungen des
Kollektorstromes hervorrufen, weil die Spannungsschwankungen über der
Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 5 anstehen und der Transistor 5
bei geeigneter Dimensionierung und Kühlung Leistungsspitzen des
Bordnetzes schnell kompensieren kann. Aufgrund der Robustheit geeigneter
Transistoren können so Störspannungen bis 150 V problemlos abgefangen
werden, ohne daß eine Helligkeitsänderung der Leuchtdioden 1, 2, 3, 4
eintritt, sie durch eine Sperrschichterwärmung gefährdet würden oder zum
Schutz vor Zerstörung ihre Abschaltung gar nötig wäre. Eine mit einem
Transistor realisierte Stromregelung gewährleistet deshalb eine hohe
Helligkeitskonstanz der so betriebenen Leuchtdioden 1, 2, 3, 4, weil ihr
Durchlaßstrom IF ungeachtet des Verhaltens der Bordspannung UB
weitgehend konstant gehalten wird. Im übrigen sind geeignete Transistoren
wesentlich preiswerter als die üblicherweise heute bei gattungsgemäßen
Anzeigeanordnungen verwendeten Schalt-IC's, weshalb sich durch die
vorgeschlagene Lösung neben dem qualitativen Vorteil auch ein
wirtschaftlicher ergibt.The advantageous effect of the proposed circuit arrangement is based on the fact that changes in the on-board voltage U B hardly cause changes in the collector current because the voltage fluctuations occur across the collector-emitter path of the transistor 5 and the transistor 5 can quickly compensate for power peaks of the on-board electrical system with suitable dimensioning and cooling . Due to the robustness of suitable transistors, interference voltages of up to 150 V can be easily intercepted without a change in the brightness of the LEDs 1 , 2 , 3 , 4 , they would be endangered by junction heating or their shutdown would even be necessary to protect them from destruction. A current control implemented with a transistor therefore ensures a high brightness constancy of the light-emitting diodes 1 , 2 , 3 , 4 operated in this way , because their forward current I F is kept largely constant regardless of the behavior of the on-board voltage U B. In addition, suitable transistors are much cheaper than the switching ICs commonly used today in generic display arrangements, which is why the proposed solution not only has a qualitative advantage but also an economical one.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung hat auch den Vorteil, daß sie auf
einfache Weise kaskadierbar ist, also zur Ansteuerung von nahezu beliebig
vielen Leuchtdioden geeignet ist, wodurch durch die Verwendung einer
ausreichenden Anzahl von Leuchtdioden eine leichte Anpassung dieser
Schaltungsanordnung an die Größe der zu beleuchtenden Fläche der
Anzeigevorrichtung möglich ist. Ein Schaltungsbeispiel ist in der Fig. 3
dargestellt. Hier sind zwei Anordnungen der in Fig. 2 dargestellten
Schaltungsanordnung parallel geschaltet und an das Bordnetz des
Fahrzeugs angeschlossen. Auf diese Weise können bei Bedarf nahezu
beliebig viele erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen kaskadiert
werden. Der Basisanschluß aller für die Regelung des Durchlaßstromes der
Leuchtdioden benötigten Transistoren ist mit einer einzigen gemeinsamen
Steuerleitung 8 verbunden, über die die Helligkeit aller Leuchtdioden
eingestellt wird. Diese Steuerleitung 8 kann entweder für eine
Gleichstromregelung der Transistoren ein Potentiometer enthalten oder es
wird über die Steuerleitung 8 ein digital erzeugtes Pulsweiten moduliertes
Signal auf die jeweiligen Basisanschlüsse der Transistoren gegeben.The proposed circuit arrangement also has the advantage that it can be cascaded in a simple manner, that is to say it is suitable for controlling almost any number of light-emitting diodes, so that by using a sufficient number of light-emitting diodes, this circuit arrangement can be easily adapted to the size of the area of the display device to be illuminated is possible. A circuit example is shown in FIG. 3. Here, two arrangements of the circuit arrangement shown in FIG. 2 are connected in parallel and connected to the vehicle electrical system. In this way, almost any number of circuit arrangements according to the invention can be cascaded if required. The base connection of all the transistors required for regulating the forward current of the light-emitting diodes is connected to a single common control line 8 , via which the brightness of all light-emitting diodes is set. This control line 8 can either contain a potentiometer for direct current regulation of the transistors or a digitally generated pulse width modulated signal is given via the control line 8 to the respective base connections of the transistors.