用于诊断有错的发光器件的装置和方法.pdf

用于诊断在具有至少两个发光器件（3）、尤其是发光二极管的支路（2）中的有错的发光器件（3）的方法和装置（1），其中所述发光器件（3）被划分成至少两个组（4，5），并且由测量单元（10）为每个组（4，5）确定电的测量量（UTn、UTm），其中每个组地确定所述测量量（UTn、UTm）相对于参考值的变化并且借助与所述测量单元（10）连接的诊断单元（14）根据在所述组（4，5）中的变化的比值识别发光器件（3）的缺陷并且将其用信号表示。

权利要求书1.  用于诊断在具有至少两个发光器件（3）、尤其是发光二极管的支路（2）中的有错的发光器件（3）的方法，其中所述发光器件（3）被划分成至少两个组（4，5），并且为每个组（4，5）确定电测量量（UTn、UTm），其特征在于，针对每个组确定所述测量量（UTn、UTm）相对于参考值的变化并且借助在所述组（4，5）中的变化的比值识别发光器件（3）的缺陷并且将所述缺陷用信号通知。 2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所确定的测量量（UTn、UTm）是电压，其中确定每个组（4，5）上的电压降，并且确定所述电压降的变化。 3.  根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了识别发光器件（3）的缺陷，将所述变化的比值与每个组（4，5）的发光器件（3）的数量（n，m）的比值进行比较，并且在有偏差的情况下将缺陷用信号通知。 4.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在偏差在容差范围之外才将缺陷用信号通知。 5.  根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在支路（2）的光和电的控制之后立即确定并且规定所述组（4，5）的参考值。 6.  根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，为了确定测量量（UTn、UTm）和/或参考值而使用在微秒范围中的电流脉冲。 7.  用于诊断在具有至少两个发光器件（3）的支路（2）中的有错的发光器件（3）的装置（1），尤其是按照根据权利要求1至7之一所述的方法，其中所述发光器件（3）被划分成至少两个组（4，5），并且每个组（4，5）被分配有用于确定电测量量（UTn、UTm）的测量器件（10），其特征在于，用于比较测量量（UTn、UTm）相对于参考值的变化的诊断单元（14）与至少两个组（4，5）的测量器件（10）连接。 8.  根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述发光器件（3）是发光二极管（LED），优选地是相同结构方式、类型和颜色的LED。 9.  根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，在发光器件（3）之间设置有热连接（37）。 10.  根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述发光器件（3）具有共同的冷却面（38）。 11.  根据权利要求7至10之一所述的装置，其特征在于，所述发光器件（3）连同测量装置（10）和诊断单元（14）一起被布置在唯一的电路板（35）上。 12.  根据权利要求7至11之一所述的装置，其特征在于，所述测量装置（10）和诊断单元（14）被集成在微控制器（17）中，其中发光器件组（4，5）的端子优选地经由分压器（9）与微控制器（17）的输入端（10）连接。 13.  根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述测量量（UTn、UTm）的参考值被存储在微控制器（17）的非易失性存储器（15）中。

说明书用于诊断有错的发光器件的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于诊断在具有至少两个发光器件、尤其是发光二极管的支路中的有错的发光器件的装置和方法，其中所述发光器件被划分成至少两个组并且为每个组确定电测量量或者给每个组分配用于确定电测量量的测量器件。
背景技术
在尤其是具有试制样品的发光器件、例如发光二极管（LED）中，迄今仅仅能够以显著的电路技术花费来识别错误和故障。因此完全可能的是：所述发光器件虽然不再辐射光，但是仍然保持导电并且因此支路此外还被电流流过并且是运行中的。同时，例如在汽车技术中使用LED或LED组由于高的预期寿命、紧凑并且鲁棒的结构方式以及高的效率在价格下降的同时越发变得有吸引力，其中考虑从内部空间照明直至主光源和信号光源的极其不同的应用领域。所使用的光源通常必须满足安全性规章、例如最小亮度要求。各个发光器件已经故障或者有错的发光器件的可靠的诊断因此是重要的并且经常甚至在法律上是意义重大的。
解决方案是测量在支路中的每个单个发光器件的正向电压并且与标称的、对于相应的发光器件特定的电压值进行比较。在此，（在LED中基础决定的）导通电压的温度相关性被加剧，其在机动车领域中要考虑的从-40℃到125℃的温度内经受通常显著的波动。此外，在发光器件的内部（例如在LED的阻挡层中）的重要的温度的估计仅仅间接地可能并且因此相应地是不精确并且不可靠的。
用于识别发光二极管短路的电路装置在DE 10 2008 008 217中被示出，其中每个LED被分配一个用于监控的电子开关；每个开关视LED的状态也即正常运行或短路情况而定地在断开状态和闭合状态之间切换。由此改变的电压降被探测。在此，不利的是监控元件的一般来说不精确并且不可调整的灵敏度界限以及高的价格、例如JEFT晶体管的高的价格、以及所需大数量的构件。此外，分析是纯模拟的并且因此是与温度以及构件容差相关的、不精确并且不可参数化的。
发明内容
相应地，本发明的任务是提出一种可靠、简单并且经济的技术，以便诊断一个或多个LED的故障。
开始所述类型的根据本发明的方法通过如下方式来解决该任务：针对每组确定测量量相对于参考值的变化并且借助在所述组中的变化的比值来识别发光器件的缺陷并且将所述缺陷用信号通知。
在根据本发明的相应装置中，用于将测量量的变化与参考值进行比较的诊断单元与至少两个组的测量器件相连接。
该方法或该装置具有以下优点：在每个组的发光器件的数量增加的情况下监控花费保持不变，尤其是不与发光器件的数量成比例地增加。此外，监控与构件波动无关，因为仅仅分析测量量的变化，而不是其绝对数值。此外，只要所有组都经受同样的影响，则监控就起作用，与周围环境决定的影响无关，因为所述诊断基于测量量的变化比值来建立。因此该方法或装置基于以下假设： 在相同条件下在分离的组中可观察到相同的行为并且因此在所分析的测量量的变化之间存在基本上恒定的比值。
测量量优选可以为电压，其中确定在每个组上的电压降并且确定该电压降的可能的变化。电压的测量尤其是在通过恒定电流源给发光器件供电的情况下是有利的，其中发光器件在该情况下优选串联连接，这例如在LED中对应于常见的控制理念。
在实施当前方法时被证实为有利的是，为了识别发光器件的缺陷，将测量量的变化的比值与每组发光器件的数量的比值进行比较并且在存在偏差时将缺陷用信号通知。因此，可以以简单的方式将监控适配于当前的发光器件数量，并且不必针对每个配置重新确定变化的恒定比值。当然，该简单的解决方案仅仅可以在完全相同类型的发光器件的情况下被使用。
因为实际上对于单独的组来说通常不能实现精确相同的周围环境条件，因此有利的是，只有在偏差处于容差范围之外时才将缺陷用信号通知。此外，该容差范围还可能是需要的，以便即使在相同类型的发光器件中出现的构件容差也被考虑，并且最后也在具有例如由于量化、偏置电流或不被考虑的电阻引起的不可避免的测量误差的测量范围中被考虑。在选择容差范围时，必须在正常运行中描绘的偏差和错误情况下的测量量、例如最大LED导通电压的预期的变化之间进行权衡。
为了本方法能够以大的安全性诊断错误、即与无误行为的偏差，优选地在支路的光和电控制之后立即确定并且规定所述组的参考值。通过这种方式，也即在生产期间已经规定参考值的情况下，能够避免：参考值已经对应于错误情况并且存在的错误因此不可探测，因为不能确定测量量（相对于有错的参考值）的相应的变化。
为了获得尽可能可复制的参考值，可以为了确定参考值而使用在微秒范围中的电流脉冲。短电流脉冲的使用具有以下优点：发光器件因此几乎不被加热并且测量量与温度影响无关、尤其是与在发光器件之间的由温度决定的交互作用无关地被确定并且可以被规定为参考值。同样有利的是，为了在功能测试时、例如在装备有该装置的车辆开始运转时确定测量量，类似地使用短电流脉冲，因为因此测试的发光器件的闪烁对于人眼不可见或者几乎不可见。
因为在其中可以在相对低成本的情况下实现高预期寿命和高效率，所以有利的是，发光器件是发光二极管（LED）、优选地是相同结构方式、类型和颜色的LED。在LED的情况下，可以观察到导通电压的特别突出的温度相关性，使得可能仅仅基于电压测量而不能在错误情况和在全功能时的温度上升之间进行区分。因此，根据本发明的装置结合LED的优点尤其明显，这尤其是涉及周围环境条件的补偿或独立性。
为了支持该装置的探测原理，有利的是：全部发光器件在相同条件下工作或组的条件至少是对称的。因此可以在发光器件之间设置热连接。所述热连接在此可以优选为在所有发光器件上的均匀的温度分布或者至少为在发光器件组之间的对称的温度分布而设立。
在发光器件之间的热连接的优选的变型方案在于，为发光器件设置共同的冷却面。因为发光器件通常本来就需要冷却，所以共同的冷却或冷却面可以以简单的方式并且无附加花费地导致所希望的温度分布。
当发光器件与测量装置和诊断单元一起布置在唯一的电路板（PCB）上时，可以特别成本经济地制造根据本发明的装置。发光器件和诊断电路的结构统一提高了整个布置的可靠性，因为在该情况下诊断单元的安全性功能固定地与发光器件相连接，这减小了诊断单元被错误连接或被绕开的概率。
当测量装置和诊断单元被集成在微控制器中时，整个装置可以特别灵活、紧凑和成本经济地制造，其中发光器件组的端子优选地通过分压器与微控制器的输入端连接。在使用微控制器的情况下，可以通过重新的参数化来检测不同发光器件类型，并且参数适配是简单并且不增加成本的。容差范围和相关测量可以几乎无花费地被实现。此外，存在用于根据微控制器的可用端子和资源来监控多个发光器件支路的可能性。在生产中的校准方法也是成本经济的，并且由于所有重要元件的集成而仅仅需要少量的构件以用于实现该装置。因此，该装置可以被实施为单层的布局，这尤其是在使用受制于结构和温度经常所需的、具有铝或陶瓷衬底载体的电路板的情况下是有利的。
关于参考值使用微控制器是有利的，如果测量量的参考值被存储在微控制器的非易失性存储器中的话。在该情况下，一方面可以避免附加的构件，并且例如在支路的光和电的控制之后同时可以持续地存储一次性初始化并且也可以在电流供给中断之后使用所存储的值。
附图说明
本发明下面借助特别优选的实施例并且还参照附图被进一步阐述，但是本发明不应当被局限于所述实施例。在此，详细地在附图中：
图1示出了根据本发明的具有带有两组LED的支路的装置的一种实施方式的电路图；
图2示出了用于说明根据本发明的方法连同参考值初始化的流程图；
图3示出了根据本发明的具有带有三组LED的支路的装置的一种变型方案的电路图；
图4示出了根据本发明的具有带有各两组LED的两个支路的装置的另一变型方案的电路图；以及
图5以示意图示出了在具有共同冷却体的共同的电路板上的LED组和所属电路组件的布置。
具体实施方式
在图1中，示出了具有发光二极管（LED）3的支路2的装置1。该支路2被分成LED 3的第一组4和第二组5。两个组4、5的LED 3在此所有可以被分配给确定的光功能（例如机动车的闪光灯）。这两个组4、5串联连接并且在组4、5内部的LED 3同样串联连接，使得支路2的全部LED 3被依次连接。即使分别仅仅描绘了3个LED，在LED 3之间的虚线线段6也应当表明在每个组4、5中可以设置多于三个的LED 3。一般，第一组4具有m个数量的LED 3，并且第二组5具有n个数量的LED 3。流过总共m+n个LED 3的电流由电流源7提供，其产生电流IF。在第一组4上的电压降用UTm表示，并且在第二组5上的电压降用UTn表示。
支路2在具有电势Ua、Ub和Uc的三个节点8上分别通过分压器9与测量器件10连接，所述测量器件在所示例子中由模数转换器构成。在两个组4、5上降落的组电压UTn、UTm分别对应于电势差，也即UTn=Uc-Ub以及UTm=Ub-Ua。在相同类型的发光器件或LED 3（如在本例子中）的情况下，组电压UTn、UTm直接与每组4、5的发光器件3的数量m、n成比例。
三个与测量器件10连接的分压器9分别具有纵向电阻11和横向电阻12以及与横向电阻12并联的电容器13，并且与测量器件10的共同的地连接，使得在电势Ua、Ub和Uc上的电压分别在测量器件10的工作范围中来标度并且对应于可能的共同模式要求。因此，也可以诊断LED链，所述LED链关于地“悬空地（schwebend）”运行，如这例如应该是升降压LED转换器（Buck-Boost-LED-Wandler）作为电流源7的情况。
在诊断单元14中，借助施加在测量器件10上并且被测量的电压分别计算与组电压UTn、UTm成比例的电压。出于简单起见，在下面被计算并且实际上（根据分压器9的配置）标度的电压利用组电压UTn、UTmM来标识。在相应地选择电阻11、12和电容13的参数的情况下，得到恒定的标度系数，其在分析电压比值时会失效（取消）。
从组电压UTn、UTm出发可以表达支路2的无误运行的条件，根据本发明的方法的优选的实施方式基于所述条件：

在此，除了每个组4、5的发光器件3的数量m、n以及各自的组电压UTm、UTn之外，还引入容差参数t以及针对每个组4、5的参考电压值UCAL，m、UCAL，n。容差参数t在此定义了在按照

的预期比值的两侧上的对称容差范围，其中在方程（1）中的t是故障识别的允许的总容差以百分比的占位符（Platzhalter）。对称的容差范围意味着：与在另外的组5、4中的故障一样地在同样的前提条件下识别在组4、5中的故障。
组电压UTm、UTn在运行期间周期性地被确定。参考电压值UCAL，m、UCAL，n对应于在组4、5中的电压降UTm、UTn，其在生产期间在LED功能测试之后立即被测量并且被存储在与诊断单元14和测量单元10连接的存储单元15中。功能测试在此通常包括对全部LED 3的电和光控制。优选地，参考值UCAL，m、UCAL，n在生产线末端测试（EOL测试）期间就已经在制造现场被测量并且在常见的参数化过程中存储在非易失性存储器15中，因为这样保证了：所有LED 3按规定地起作用。为了测量参考值UCAL，m、UCAL，n可以使用在毫秒范围中的短电流脉冲，使得很大程度上避免了在参考测量期间LED芯片的自发热。在该测量或校准期间精确的LED芯片温度是未知的并且也在很大程度上对于当前方法是不重要的。
总容差或容差范围和容差参数t必须根据具体情况例如基于LED制造商有关构件容差和构件特性的信息并且基于LED数量来选择。在此，必须考虑到：分压器9的电阻也是有错误的并且测量单元10例如由于量化、偏置电流和输入电阻而导致测量错误。所述偏差必须相对于由制造商说明的最大LED导通电压在“短路”错误情况下被权衡，以便保证最优的故障识别。
为了诊断有错的发光器件，借助容差参数t和存储在存储器15中的参考值UCAL，m、UCAL，n在诊断单元14中测试在方程（1）中说明的条件。当测试表明超过了容差范围时，诊断单元14向显示单元16输出信号，所述显示单元例如向使用者提醒故障或错误功能，使得可以进行对有错的发光器件的修理或更换。显示单元例如可以在车辆中具有报警灯和/或是车载电脑的一部分，其可以输出更具体的报警通知。
在这里描述的例子中，测量单元10与存储器单元15和诊断单元14一起被集成在微控制器17中。测量单元10对应于微控制器17的ADC输入端（模数转换器输入端）并且因此能够简单地被参数化；存储器单元15对应于集成在微控制器17中的非易失性存储器（也即Non-Volatile Random-Access Memory（非易失性随机存取存储器）, 缩写NVRAM）15。待测试的条件（1）以及包含在其中的参数可以简单地例如通过标准化的微控制器17的接口来编程并且不需要任务特定的构件。参考值UCAL，m、UCAL，n的存储可以在合适的时间点例如经由微控制器17的维护接口（未示出）例如通过诊断消息在车辆总线上被触发。
在图2中的流程图示例性地示出根据本发明的用于诊断有错的发光器件的方法的流程。该图在EOL测试之后立即开始，但是也可以规定，在每次复位或接通之后返回该时刻。在第一步骤18中，首先检验：EOL测试是否是无误的或者是否在LED 3上确定了错误。在第二种情况下，参见步骤19，直接中断该方法并且从产品中取出测试的发光器件。如果EOL测试成功地运行，则接下来由微控制器17或由测量单元10按照步骤20执行对电压Ua、Ub和Uc的测量。在下面的计算步骤21中，由微控制器17根据测量结果确定组电压UTm、UTn。在参数化、步骤22期间，可与情况相关地配置的关于LED支路1的组大小m、n和容差参数t的数据被确定并且被存储在微控制器-NVRAM 15中。为了结束初始化次序、参见步骤23，将所确定的电压作为参考电压UCAL，m、UCAL，n存储在微控制器17的NVRAM 15中。
在初始化之后开始第一测量周期。在此，首先按照步骤24执行当前组电压UTm、UTn的测量并且接着按照步骤25执行与先前存储的参考值UCAL，m、UCAL，n的比较或者形成与参考值的差。所述差的比值按照在方程（1）中说明的条件在步骤26中经历检验。当该检验是成功的时、也即当电压变化的比值处于容差范围内时，（必要时以预先确定的延迟）触发伴随着重新测量、步骤24的下一测量周期。如果条件（1）不满足，则按照步骤27诊断LED错误，并且因此在需要时可以将该错误用信号通知。
原则上，鉴于光功能也可以设置其他的分组，也即具有多于两个的组4、5。这在图3和4中借助示意性框图来说明。
在图3中所示的电路28中，将串联连接的LED 3的单个支路2分成三个组4、5、29，其中微控制器17总共在用于电压测量的四个节点8上与支路2连接。整个支路2由唯一的恒流源7供电。在支路2和测量单元10或微控制器17之间的连接也在该例子中通过分压器9来建立。在四个测量的情况下，或者可以放弃两个中间的测量之一，由此有效地合并了两个组4、5、29；或者可以执行在几个或所有组组合之间的成对的比较。在划分成多于两个组4、5、29的情况下利用成对地比较所有可能的对而得到的优点是识别有错的组4、5、29，也即可以确定并且说明有错的发光器件与哪个组4、5、29关联。此外，在多个并且更小的组4、5、29的情况下，发光器件3在所有组4、5、29中同时发生故障的可能性较小，这否则可能是由本方法不能识别的错误。
如借助图4中的变型方案30所示的一样，单个的微控制器17却也可以监控多个支路2、31，如果存在相应数量的输入端10的话。两个在图4中所示的支路2、31分别具有两个组4、5，32、33串联连接的LED 3。每个支路2、31由自己的恒流源7、34供电并且在开始和末尾处以及在两个组4、5，32、33之间经由分压器9与微控制器17的各一个ADC输入端10连接。因为由于分压器9待测量的电压参考微控制器地，所以这两个电流源7、34可以不相关并且“悬空地”工作。该诊断的原理与在仅仅一个支路2的情况下一样，但是其中在诊断错误时，有利地将该错误与支路2、31相关联，以便能够实现快速并且有效的消除。
在假设相同类型的LED 3的情况下，可以最简单地理解本方法所基于的认识。在该假设的情况下，每个组电压UTm、UTn对应于近似相同的、与温度相关的LED导通电压的和。各个导通电压此外取决于温度、还取决于一系列技术和材料决定的参数以及在制造LED芯片时的工艺特性。但是因为仅仅分析组电压UTm、UTn的比值，所以各个导通电压的温度相关性或精确的变化曲线是不重要的，只要在LED类型相同并且制造商相同的情况下导通电压很大程度上是恒定的并且可良好复制的并且所有LED的阻挡层温度近似相等。于是，在每个和中（在串联连接的LED情况下）仅仅达到项的数量，也即每个组4、5、29等等达到LED 3的数量m、n，。为了推断出由于温度相关的因素引起的错误，此外合乎目的的是，代替绝对组电压UTm、UTn而比较其与恒定并且在相同（温度）条件下测量的参考值UCAL，m、UCAL，n的偏差 △Um＝UTm－UCAL，m或△Un＝UTn－UCAL，n。
在温度和LED导通电压之间的一般比值的特定情况是线性变化曲线，其中温度变化△T与导通电压的变化△U成比例：

近似恒定的比例系数是温度系数（然而其中实际的温度系数本身是温度、材料、工艺和电流相关的）。
相对于参考值的电压变化的比值因此得到

是温度系数的中值并且△T在该情况下是在参考测量期间的温度（参考温度）和在诊断期间的温度之间的温度差。在相同结构方式和相同颜色（相同半导体材料）的LED的情况下，各自的温度系数仅仅很少地与该中值偏差。这两个组4、5具有的LED 3越多，也即该和具有的项越多，越精确地满足方程（4），因为平均值的精度随着项数量的增加而上升。如由方程（4）可见，本方法（由于温度影响的线性近似）在组之间的小的温度差的情况下也可以使用，其中可以分别测量组温度并且相应地考虑这两个组（与参考温度）的温度偏差的比值。在此，不需要对绝对温度系数的精确认识，只要这两个组的温度系数是相同的。
如上面已经提及的，值得期待的是：共同地冷却所有组、例如组4、5或4、5、29或4、5、32、33（参见图1、3或4）的发光器件或LED 3或者将其保持在共同的（冷却）温度上。为此，合乎目的地设置可以以不同方式实现的共同的温度平衡面。一种可能性在于：将LED 3、必要时也将其余的电路组件安装在共同的电路板（PCB）上，其中该电路板（PCB）具有导热衬底、例如铝衬底或陶瓷载体，使得LED 3于是经历近似相同的焊接点温度。但是也可以设想的是，如图5中所示，LED 3和其余电路组件（尤其是经由共同的电路板35）被安装在共同的冷却体36上。在图5的示意图中，在电路板35上在中间区域中总共示出了13个LED 3，也即以矩阵3×4个LED 3加上一个分开的LED。此外，在按照图5的电路板35上可以看出所需要的电路组件、尤其是如微控制器17。
电路板35例如通过粘贴、拧紧等等安装在冷却体36上，并且LED 3利用尽可能多的通孔接触在电路板35中被冷却，其中电路板35例如可以借助传统的间隙填充物与冷却体36热连接。
通过这种方式，至少借助电路板35在发光器件（LED 3）之间设置热连接37，即尤其是共同的冷却面38。
相当一般地，在LED单元中通常存在冷却体36，但是这不一定必须是这样，因为在大的共同的电路板35的情况下，温度也“均匀”，使得没有冷却体36也实现：各个LED 3的焊接点温度大致相同。