LED Überwachung

Bachelorarbeit von Benjamin Lehmann

Einleitung:

Nahezu in allen Lebensbereichen hält die LED - Light Emitting Diode – nach und nach Einzug. Die immer weiter fortschreitende Entwicklung dieser Bauelemente ermöglicht es heute Leuchtdioden zu bauen, die in puncto Lichtausbeute Glühlampen in Nichts nachstehen. Bereits heute erreichen Leuchtdioden den optischer Wirkungsgrad herkömmlicher Glühlampen von 10 - 15 lm/W. Der höhere Preis für Leuchtdioden im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen ist dennoch kein Hindernis, sie auch in der Automobilindustrie einzusetzen, obwohl gerade in diesem Bereich der Kostendruck sehr hoch ist. Einer der großen Vorteile ist die lange Lebensdauer der Leuchtdiode. Statistisch gesehen, kann sie ein komplettes „Autoleben” im KFZ verbleiben, ohne ausgetauscht werden zu müssen.

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird. Wobei dabei zu erwähnen ist, dass nach heutigem Stand der Technik der Wirkungsgrad von Leuchtdioden noch sehr weit vom Optimum entfernt ist. Dabei ist bei Leuchtdioden mit einem direkten Halbleiterübergang nicht die eigentliche Erzeugung von Licht mit großen Verlusten behaftet, vielmehr liegt ein Großteil der Verluste in der Auskopplung des Lichtes aus dem Halbleiter begründet. Eine große Rolle spielt dabei der Übergang des Lichtes aus dem Halbleiter heraus an die Luft - der große Unterschied im Brechungsindex der beiden Medien ist für die Verschlechterung des Wirkungsgrades verantwortlich.

Ein weiterer Vorteil der Leuchtdiode ist, dass ihre viel kleineren und kompakteren Gehäuseformen eine Platzersparnis versprechen, die den Bau von flacheren Geometrienzulässt.

Dennoch gibt es gerade im KFZ-Bereich Anwendungsfälle die eine unproblematische Umstellung von Glühlampen auf Leuchtdioden nicht zulassen. Zum Beispiel kommt noch keine Leuchtdiode in Serienproduktion für das Abblendlicht zum Einsatz. Das liegt daran, dass die Entwicklung dieser Hochleistungsdioden noch nichtausgereift ist. Problematisch bei diesen Dioden ist der Zusammenhang zwischen hohen Temperaturen am Halbleiterübergang und der Lebensdauer. Hohe Temperaturen entstehen durch die hohen Stromdichten, die zur Erzeugung großer Lichtintensitäten benötigt werden. Bei einer Standard-Leuchtdiode wird durchschnittlich mit 100.000 Betriebsstunden gerechnet, bei Hochleistungs-Leuchtdiode nur mit 25.000.

Um die hohen Temperaturen vom Chip abzutransportieren bedarf es eines vernünftigen Temperaturmanagements, da gerade die kleinen Strukturen und Geometrien einer Leuchtdiode die Wärmeabfuhr nicht begünstigen. Dennoch scheint auch dieses Problem gelöst zu sein, da die Firma Audi bereits den serienreifen LED – Scheinwerfer angekündigt hat. Dabei setzt Audi auf eine aktive Kühlung der Leuchtdioden und nutzt die abgestrahlte Wärme zur Scheinwerfer - Enteisung.

Ein weiterer kritischer Einsatz, der aber aus technischer Sicht unproblematisch ist, ist der Einsatz als Richtungsblinker, da die Straßenverkehrsordnung zwingend eine permanente Funktionsüberwachung der Blinker vorschreibt. Bei herkömmlichen Glühlampen ist diese bislang durch eine Stromüberwachung, des Stromes der durch die Glühlampe fließt, realisiert worden. Da es bei einer Glühlampe nur eine Ausfallerscheinung gibt (defekter Glühfaden und kein Stromfluss). Bei den Leuchtdioden ist diese Ausfallerscheinung komplexer. Eine Leuchtdiode ist ein Halbleiterbauelement, durch den ein Stromfluss einen Lichtfluss zur Folge hat. Dennoch ist es bei Schädigung einer Leuchtdiode, zum Beispiel durch elektrostatische Entladung in der Produktion oder bei der Montage, durch Verunreinigungen in der Produktion, bei nicht fachgerechter Lagerung der Halbleiterbauelemente, bei thermischer Überbeanspruchung, etc., möglich, dass durch die Diode noch ein Strom fließt aber er keinen Lichtfluss zur Folge hat.

Die Ausfallmöglichkeiten und ihre Ursachen sind vielfältig und aus diesem Grunde ist die Umstellung von Glühlampen auf Leuchtdioden, in der Automobilindustrie bislang nur möglich, wenn es sich um ein redundantes System handelt. Beispielsweise eine Seitenblinker, der von Hinten zu erkennen ist.

Die vorliegende Arbeit setzt sich nun mit einer geeigneten Überwachung für Leuchtdioden im Blinker auseinander. Es wird ein Lösungsansatz verfolgt, der es vorsieht eine Leuchtdiode auch als lichtempfindlichen Sensor (Fotodiode) einzusetzen. Es ist nicht das Ziel dieser Arbeit ein serienreifes Produkt zu entwerfen, sondern es soll mit Hilfe eines Funktionsmusters untersucht werden, ob dieser Ansatz zum gewünschten Ziel führen kann. Dabei sind mit Hilfe des Funktionsmusters, Aussagen über die Störeinflüsse und deren Auswirkung auf das Messergebnis zu treffen. Das Funktionsmuster soll Anwendung in einem Musterscheinwerfer finden.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung und Problemstellung	8
2.	Lösungsansätze	10
3.	Untersuchungen	12
3.1	LED als Sensor	12
3.1.1	Halbleiter Grundlagen	12
3.1.2	statisches Verhalten	14
3.1.3	dynamisches Verhalten	19
3.2	Reflexionen	26
4.	Schaltungsentwurf	28
4.1	LED - Sende und Empfangseinheit	28
4.2	Messverstärker	33
5.	Funktionsmuster	36
5.1	Mechanischer Aufbau	36
5.2	Die Schaltung	38
5.2.1	Blinker- R¨ucklicht – Modul	38
5.2.2	Adapter Modul	45
5.3	Layout	46
5.4	Software	48
6.	Messungen	53
6.1	Simulation verschiedener Ausfallerscheinungen	53
6.2	Reflexionen	59
6.3	Fremdlicht	61
6.4	Verschmutzung	61
7.	Ergebnis und Ausblick	63
7.1	Auswertung der Messung	63
7.2	Hinweise zum Schaltungsentwurf	67
7.3	Zusammenfassung	67
A.	Anhang	68
A.1	Schaltpläne	68
A.2	Layouts	70
A.3	Fotografien	74
A.4	Quelltexte	76
	Literaturverzeichnis	86

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung und Problemstellung	8
2.	Lösungsansätze	10
3.	Untersuchungen	12
3.1	LED als Sensor	12
3.1.1	Halbleiter Grundlagen	12
3.1.2	statisches Verhalten	14
3.1.3	dynamisches Verhalten	19
3.2	Reflexionen	26
4.	Schaltungsentwurf	28
4.1	LED - Sende und Empfangseinheit	28
4.2	Messverstärker	33
5.	Funktionsmuster	36
5.1	Mechanischer Aufbau	36
5.2	Die Schaltung	38
5.2.1	Blinker- R¨ucklicht – Modul	38
5.2.2	Adapter Modul	45
5.3	Layout	46
5.4	Software	48
6.	Messungen	53
6.1	Simulation verschiedener Ausfallerscheinungen	53
6.2	Reflexionen	59
6.3	Fremdlicht	61
6.4	Verschmutzung	61
7.	Ergebnis und Ausblick	63
7.1	Auswertung der Messung	63
7.2	Hinweise zum Schaltungsentwurf	67
7.3	Zusammenfassung	67
A.	Anhang	68
A.1	Schaltpläne	68
A.2	Layouts	70
A.3	Fotografien	74
A.4	Quelltexte	76
	Literaturverzeichnis	86

Textprobe:

Kapitel 4.2, Messverstärker:

Aufgrund der Betrachtungen in Kapitel 3 ist der einzusetzende Messverstärker, als ein Strom-Spannungswandler (Transimpedanz-Verstärker) auszuführen. Er sollte eine Betriebsverstärkung von geschätzten 50 dB erreichen. Die Eingangsimpedanz des Transimpedanz-Verstärkers geht gegen Null, somit kann der Kurzschlussstrom der Leuchtdioden gemessen werden.

Beide Operationsverst¨arker OP1A und OP2A werden mit einer positiven Versorgungsspannung von 12V versorgt, somit entf¨allt die Erzeugung einer negativen Versorgungsspannung. Die erste Verstärkerstufe wandelt den Diodenfotostrom in eine, zum Strom proportionale, Spannung um und invertiert sie. Aufgrund dieser Eigenschaft und der Tatsache, dass keine negative Versorgungsspannung angelegt wird, ist es notwendig eine Offsetverschiebung am ersten Verstärker vorzunehmen. Hierzu wird der konstant eingeprägte Diodenstrom über einen Widerstand Roffset zur Masse abgeführt und der Spannungsabfall an diesem Widerstand wird zur Offsetverschiebung an OP1A genutzt. Durch die Offsetverschiebung durch den Diodenstrom wird auch sichergestellt, dass im Messmodus an Kathode und Anode der Leuchtdioden gleiches Potential liegt und somit der Fotostrom im Kurzschlussbetrieb gemessen wird.

OP2 ist als invertierender Verst¨arker ausgeführt mit einer Betriebsverst¨arkung von vbetrieb = R5 R4 . Durch den zweiten Verst¨arker wird die Invertierung des ersten Verstärkers behoben. Dadurch, dass OP2A mit seinem nicht-invertierendem Eingang auch auf der Offsetspannung liegt, wird in der Summe genau die Differenz zwischen SGND, also dem Potential an der Kathode der Leuchtdiode, und der Spannung des ersten Verst¨arkerausgangs verstärkt. Weitere Vorteile des zweistufigen Verstärkers sind, dass jede Stufe nur die halbe Verstärkung der geschätzten 50 dB erbringen muss und so mit einer größeren Linearität der einzelnen Stufen zu rechnen ist. Des Weiteren wird aufgrund der Kaskadenformel des Rauschens, das Rauschen der zweiten Stufe durch die große Verstärkung der ersten Stufe verkleinert.

In Abb. 4.7 ist der schematische Aufbau im Empfangsmodus für Einheit 2 und Leuchtmodus für Einheit 1 dargestellt. Beide Einheiten bestehen jeweils aus 3 Leuchtdioden, da die Betriebsspannung auf 12 V voraus gesetzt wird. Der konstant eingepr¨agte Strom fließt durch Einheit 1 ¨uber Roffset zu GND ab. Der Spannungsabfall am Roffset verschiebt den Offset an OP1A. Mit der Bezeichnung SGND wird das Potential oberhalb dieses Widerstandes bezeichnet, es bildet den Bezugspunkt f¨ur die Messungen und wird mit Signalmasse bezeichnet. Einheit 4.2. MESSVERSTÄRKER ist von der Stromquelle entkoppelt und wandelt das empfangene Licht in Strom um. Da sich die Einheit 2 im Empfangsmodus befindet, ist sie direkt mit OP1A verbunden und der generierte Strom der Einheit 2 kann so von OP1A in eine Spannung gewandelt werden, die vom OP2A verst¨arkt wird. Wie man dieser Abbildung entnehmen kann ist der Widerstand Roffset nur einmal vorhanden und wird praktisch auf die gerade aktive Leuchtgruppe geschaltet. Vorteilhaft an dieser Methode ist, im Gegenteil zu der M¨oglichkeit pro Einheit einen Offset-Widerstand zu verwenden, dass eventuelle Unterschiede zwischen 2 Widerständen nicht ins Gewicht fallen. Nachteilig bleibt zu erwähnen, dass es im Umschaltmoment des konstante Diodenstromes von Einheit 1 auf Einheit 2 zu Schwankungen oder zu Sprüngen der Spannung am Offsetwiderstand kommen kann. Dieser Schwankung kann man mit einer Kondensator-Pufferung entgegen wirken sowie mit einem zeitnahem bzw. überlappendem Umschalten der beiden Einheiten. Trotzdem wirkt sich dieser Umstand nicht negativ auf das Messergebnis aus, da im Umschaltmoment die Messwerte des Verstärker nicht ausgewertet werden müssen.

Weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der konstant eingeprägte Diodenstrom, bei geeigneter Ansteuerung der beiden Einheiten, konstant und ohne Unterbrechungen fließt, obwohl zwischen den beiden Einheiten hin und her geschaltet wird. Somit werden entstehender Oberwellen im Schaltmoment entgegen gewirkt und es kann für die Messung der relativ kleinen Ströme dadurch bedingt zu keinen Störungen kommen.