AT13237U1 - Transientstrombegrenzungsschaltung für eine Leuchtdiode - Google Patents

Abstract

Anordnung zum Bereitstellen eines konstanten Stroms für zumindest eine LED, wobei die Anordnung eine Quelle (2; 2a, 2b) des besagten Stroms umfasst, wobei die Quelle Ausgangsanschlüsse beinhaltet, und einen Ausgangskondensator (3), welcher die Ausgangsanschlüsse überbrückt.

Description

österreichisches Patentamt AT13 237U1 2013-09-15

Beschreibung

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Energieversorgungsanordnungen für Licht emittierende Dioden (LEDs).

[0002] Ein Problem, welches häufig in Konstantstrom-LED-Systemen angetroffen wird, liegt darin, dass eine "live" (oder "heißer Tausch") Verbindung zu der konstanten Stromenergieversorgung - d.h. eine Verbindung der LED(s) zu der Energieversorgung, nachdem diese mit Energie versorgt wurde - zu einem LED-Grenzzonendefekt führen kann. Dies geschieht typischerweise aufgrund großer Stromimpulse, welche durch den Ausgangskondensator der Energieversorgungsquelle erzeugt werden, welche mit der festgelegten maximalen offenen Lastspannung belastet werden. Dies entspricht praktisch einer begrenzten Fähigkeit der LED, den maximalen Stromstoß des Vorwärtsstroms auszuhalten, welcher wahrscheinlich während einer Live- oder Heißtauschverbindung der LED zu der Energieversorgung auftreten kann.

[0003] Zusätzlich stellt ein mögliches Niederfrequenz-PWM (Pulsbreitenmodulation) Dimmen der LED im Allgemeinen große dynamische Leistungsanforderungen an den Treiber. Unter diesen Umständen kann eine billige Flyback-Topologie nicht verwendet werden, da die Modulationsbandbreite (BW) durch den hohen Ausgangswiderstand begrenzt ist, welcher erforderlich ist, sowohl um Hochfrequenzbrummen zu filtern als auch um starke Brummströme auszuhalten.

STAND DER TECHNIK

[0004] Anordnungen des Standes der Technik, welche darauf zielen, diese Probleme zu lösen, basieren auf Zweistufenumwandlung und/oder der Benutzung von Vorwärtstypwandlern (push pull, Halbbrücken, usw.).

[0005] JP 62209875 offenbart einen Schaltkreis, welcher Licht emittierende Dioden treibt, und welcher angepasst ist, um zu verhindern, dass ein Stromstoß in einer Drain aufgrund der Anwendung einer Leistung auf eine Source durch Verbinden einer Induktionsspule zwischen einer Zenerdiode, welche mit der Source und der Energiequelle der Source verbunden ist, erzeugt wird. Eine Diode, welche parallel mit den beiden Enden der Induktionsspule verbunden ist, kann im Gegenteil verhindern, dass ein Spannungsstoß erzeugt wird, wenn der Schalter der Energiequelle geöffnet wird.

[0006] Nach Meinung der Anmelderin geht JP 62209875 dasselbe technische Problem an, um einen Stromstoß der vorliegenden Anmeldung zu verhindern, aber benutzt ganz andere technische Lösungen in einem ganz anderen technischen Kontext.

[0007] Es besteht daher die Notwendigkeit für eine einfache, billige Anordnung, welche angepasst ist, um effektiv die Nachteile, welche im Vorhergehenden beschrieben wurden, zu überwinden.

ABSICHT UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

[0008] Die Absicht der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Bedürfnis gut zu befriedigen.

[0009] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Absicht durch das Mittel einer Anordnung erreicht, welche die Merkmale aufweist, welche in den Ansprüchen, welche folgen, vermittelt werden, wobei diese Ansprüche in jeglicher Hinsicht ein Teil der Offenbarung dieser Anmeldung sind.

[0010] Kurz gesagt verwendet die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine extra Ausgangsinduktionsspule, welche parallel zu einem Widerstand am Ausgang der Energieversorgung ist. Das Brummen wird so durch die CL-Stufe, welche den Ausgangskondensator der Energiequelle und die hinzugefügte Induktionsspule umfasst, gefiltert. Der Kondensator kann so mit einem Kapazitätswert im microFarad (pF)-Bereich (z.B. einer bis einige pF) anstatt 1 /7 österreichisches Patentamt AT13 237U1 2013-09-15 von hunderten von pF -Bereich (d.h. einhundert bis einige Hundert μΡ) gewählt werden. Der kleine Wert des Ausgangskondensators ermöglicht eine große Bandbreite und macht es möglich, dass eine Schnellschrittantwort erreicht wird und eine gute PWM-Dimmeinheit entworfen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0011] Die Erfindung wird nun nur exemplarisch mit Bezug auf die angehängten Zeichnungsfiguren beschrieben werden, worin: [0012] Fig. 1 eine schematische Darstellung des Grundprinzips der hierin beschriebenen

Anordnung ist, [0013] Fig. 2 eine detailliertere Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der hierin beschriebenen Anordnung ist, und [0014] Fig. 3 bis 5 drei vergleichende Zeitdiagramme sind, welche die Vorteile heraussteilen, welche mit der Benutzung der hierin beschriebenen Anordnung verbunden sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

[0015] In der schematischen Darstellung von Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 als Ganzes eine Energieversorgung, um eine oder mehrere LEDs (nicht in Fig. 1 gezeigt) mit einem konstanten Strom zu versorgen. Die Quelle 1 wird hierin so dargestellt, dass sie einen konstanten Stromgenerator 2 umfasst, welcher mit einer Ausgangskapazität 3 über die Ausgangsanschlüsse des Generators 2 verbunden ist. Wenn keine Last vorhanden ist wird an den Ausgangsanschlüssen die Ausgangsspannung einer solchen konstanten Stromenergiequelle normalerweise den Maximalwert erreichen, welcher von dem Stromkreis (z.B. durch eine Standardgröße oder durch eine Schaltkreistopologie begrenzt) ermöglicht wird.

[0016] Wenn eine niedrige Scheinwiderstandslast, wie eine LED oder ein Satz LEDs, direkt mit den Ausgangsanschlüssen der Energiequelle, nach dem mit Energie versorgen davon, verbunden wird (d.h. "live" oder "Heißtausch" Verbindung) verbunden wird, wird ein hoher Stromfluss dort hindurch fließen.

[0017] Die Anordnung, welche in Fig. 1 gezeigt wird, begegnet diesem negativen Effekt effektiv durch das Mittel einer extra Ausgangsinduktionsspule 4, welche (vorzugsweise parallel mit einem Widerstand 5 - siehe Fig. 2) an dem Ausgang der Energiequelle 1 angeordnet wird. Insbesondere wird die Induktionsspule 4 - welche üblicherweise einen Induktivitätswert im hunderter μΗ-Bereich hat - in einer solchen Weise angeordnet, dass sie von dem Quellenstrom durchquert wird, d.h. dass der Strom, welcher von dem Generator 2 erzeugt wird, durch die Induktionsspule 4 fließt. In anderen Worten ist in der Anordnung, welche in Fig. 2 gezeigt wird, die Ausgangsinduktionsspule 4 mit dem Ausgangskondensator 3 so verbunden, dass die LED(s) über die Induktionsspule 4 mit Strom versorgt wird.

[0018] Das Brummen, welches möglicherweise mit dem vorhandenen Quellenstrom zusammenhängt, wird folglich durch die CL-Stufe, welche den Ausgangskondensator 3 der Energiequelle und die beigefügte Induktionsspule 4 umfasst, gefiltert. Der Kondensator 3 kann daher mit einem Kapazitätswert von etwa einem bis einige pF (anstatt des bisherigen Werts von hunderten von pF) gewählt werden. Der kleine Wert des Ausgangskondensators 3 ermöglicht eine breite Bandbreite und ermöglicht es, dass eine Schnellschrittantwort erreicht wird, und dass eine gute PWM-Dimmeinheit entworfen wird.

[0019] Die Anordnung, welche in Fig. 1 (und in Fig. 2) gezeigt wird, löst daher effektiv das Problem des Beschränkens des Auftretens eines Stromstoßes unter den im Vorhergehenden beschriebenen Bedingungen. Zusätzlich löst die in Frage kommende Anordnung zwei andere typische Probleme, welche mit der Konstantstrom-LED-Energieversorgung Zusammenhängen, nämlich; 2/7 österreichisches Patentamt AT13 237U1 2013-09-15 [0020] - das Erreichen einer guten dynamischen Antwort mit verschiedenen Eingangsspan nungen und verschiedener Anzahl von LEDs, welche mit dem Ausgang der Energieversorgung verbunden sind; und [0021] - das Entbehren der Notwendigkeit, einen hochkapazitiven glättungselektrolytischen

Kondensator am Ausgang der Energiequelle zu haben.

[0022] Genauer zeigt das Diagramm von Fig. 2, dass der Stromgenerator von Fig. 1 in der Tat einen Transformator 2a umfasst, dessen Sekundärwicklung einen Brückengleichrichter 2b versorgt, wobei der Kondensator 3 über die Ausgangsanschlüsse des Brückengleichrichters 2b verbunden ist. In dieser Weise gibt es die Möglichkeit, an dem Ausgang einer Gleichstromenergiequelle eine CL-Stufe mit einem kleinen kapazitiven Wert (ein oder mehrere pF) zu verwenden, so dass eine keramische SMD (oberflächenaufgebrachte Vorrichtung) oder ein PTH (Pin-through-hole) Kapazitäten verwendet werden können.

[0023] In den Anordnungen des Standes der Technik musste der Ausgangskondensator gewählt werden, um: [0024] - das benötigte LED-Strombrummen (Brummen unter einer gegebenen Schwelle) zu gewährleisten, und [0025] - das Strombrummen, welches mit der Energiestufe verbunden ist, auszuhalten.

[0026] Zum Beispiel ist in einer konventionellen Flyback-Energiestufe der obige letztere Punkt der dominante Faktor. Um diesen Anforderungen zu begegnen, muss die Kapazität üblicherweise so gewählt sein, um hohe Brummströme auszuhalten. Aus diesem Grund wird im Moment ein sperriger, teurer elektrolytischer Kondensator benutzt, welcher einen Kapazitätswert von hunderten pF aufweist.

[0027] In der hierin beschriebenen Anordnung ist ein kleiner keramischer Kondensator in der Lage, beide Anforderungen zu erfüllen.

[0028] An erster Stelle dient die Ausgangsinduktionsspule 4 als glättender Filter, so dass ein kleiner Brummstrom erreicht werden kann selbst wenn ein kleiner Kondensator zum Brummfiltern benutzt wird. Zusätzlich kann ein keramischer Kondensator auch mit niedrigen Kapazitätswerten hohe Brummströme aushalten.

[0029] Die hierin beschriebene Anordnung ermöglicht so die Benutzung eines kleinen Ausgangskondensators 3, während zur selben Zeit ein kleines Ausgangsstrombrummen erreicht wird, da die Ausgangsinduktionsspule 4 die Stromschwankungen begrenzt.

[0030] Zur selben Zeit können kleine keramische Kondensatoren gut sogar sehr hohe Brummströme aushalten.

[0031] Beispielhafte Werte für den Ausgangskondensator 3 und die Induktionsspule 4 sind jeweils wenige microFarad (pF) und einige hundert microHenry (pH).

[0032] Die Anordnung von Fig. 2 ist eine Verbesserung der Anordnung von Fig. 1, worin ein Glättungswiderstand 5 parallel mit der Ausgangsinduktionsspule 4 verbunden ist. Der Widerstand 5 (ein typischer Wert kann 33 Ohm sein, was im Bereich von einigen Dutzend Ohm ist) Bereich wird die Oszillation, welche durch die LC-Ausgangsstufe erzeugt wird, unterdrücken.

[0033] Die Diagramme der Fig. 3 bis 5 zeigen typische Verhaltensweisen über die Zeit (Abszissenskalierung in Millisekunden) von Stromimpulsen, welche am Ausgang einer Gleichstromenergieversorgung während der Live-Verbindung von LED-Modulen mit einer Gleichstromenergieversorgung (PS), die durch eine 25 V offene Schaltkreisspannung begrenzt wird, gemessen werden. Die Ordinatenskala von allen Diagrammen der Fig. 3 bis 5 sind in A. Alle drei Diagramme beziehen sich auf Schaltkreisanordnungen, wo der Gleichstromgenerator ein 9,35 A Generator ist.

[0034] Insbesondere bezieht sich das Diagramm der Fig. 3 auf konventionelle Gleichstromenergieversorgung (keine Induktionsspule 4 - Kondensator mit einem Kapazitätswert von 100 pF). 3/7 österreichisches Patentamt AT13 237U1 2013-09-15 [0035] Das Diagramm der Fig. 4 bezieht sich auf eine Gleichstromenergieversorgung, welche mit einer Induktionsspule 4 mit einem Induktivitätswert von 300 μΗ und einem Kondensator 3, welcher einen Kapazitätswert von 1 pF aufweist, ausgestattet ist.

[0036] Schließlich bezieht sich das Diagramm der Fig. 5 auf eine konstante Stromenergieversorgung, welche mit einer Induktionsspule 4 mit einem Induktivitätswert von 330 μΗ, welche einen Glättungswiderstand 5 von 33 Ohm, der parallel verbunden ist, und einen Widerstand 3, welcher einen Kapazitätswert von 1 pF aufweist, aufweist, ausgestattet ist.

[0037] Die hierin beschriebene Anordnung verbessert auch das dynamische Verhalten der Energieversorgung. Dies geschieht weil ein kleiner Ausgangskapazitätswert zwischen dem Gleichstromgenerator und der LEDs - welche einen zugeordneten "dynamischen" Widerstand Rd aufweisen - die Verzögerung in der Resonanzkette reduziert.

[0038] Darüber hinaus schiebt der kleine Ausgangskapazitätswert die RPH Null auf der CCM (rechte Hälfte Ebene Null, kontinuierlicher Leitungsmodus) Flybacktopologie auf einen sehr hohen Frequenzwert, wobei dadurch die Schleifenstabilisierung vereinfacht wird. Allgemeiner führt die beschriebene Anordnung zu einer Vereinfachung in dem Resonanzschleifennetzwerk, wobei eine gute vorübergehende Antwort mit verschiedenen Lasten und Leitungsbedingungen erreicht wird.

[0039] Der Fachmann wird sofort würdigen, dass die Erfindung sich auch auf alle getakteten Energieversorgungstopologien und auch auf niederfrequente konventionelle Transformatoren anwendet.

[0040] Natürlich können die Details und Ausführungsformen exemplarisch ohne Präjudiz in Bezug auf die zu Grunde liegenden Prinzipien der Erfindung sogar beträchtlich in Bezug auf das, was im Vorangehenden beschrieben wurde, variieren, ohne vom Umfang der Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen definiert, abzuweichen. 4/7

Claims (11)

1. österreichisches Patentamt AT13 237U1 2013-09-15 Ansprüche 1. Anordnung zum Bereitstellen eines konstanten Stroms für zumindest eine LED, wobei die Anordnung eine Quelle (2; 2a, 2b) des besagten Stroms umfasst, wobei die Quelle Ausgangsanschlüsse beinhaltet, und einen Ausgangskondensator (3), welcher die Ausgangsanschlüsse überbrückt, dadurch gekennzeichnet, dass - der Ausgangskondensator (3) einen Kapazitätswert von einem oder mehreren Mikro-Farad hat, - eine Ausgangsinduktionsspule (4) mit dem Ausgangskondensator (3) verbunden ist, wobei der Strom die zumindest eine LED über die Induktionsspule (4) versorgt, wobei der Ausgangskondensator (3) und die Ausgangsinduktionsspule (4) eine CL-Filterstufe bilden, zum Filtern von Brummen, das eventuell dem Strom überlagert ist, welcher die zumindest eine LED versorgt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Widerstand (5) umfasst, welcher parallel zu der Ausgangsinduktionsspule (4) verbunden ist.
3. 3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangskondensator (3) ein keramischer Kondensator ist.
4. 4. Anordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangskondensator (3) ein SMD-Kondensator ist.
5. 5. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangskondensator (3) ein PTH-(Pin-Through-Hole) keramischer Kondensator ist.
6. 6. Anordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsinduktionsspule (4) einen Induktivitätswert im hundert Mikro-Henry-Bereich aufweist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (5) einen Widerstandswert im Bereich von mehreren 10 Ohm aufweist.
8. 8. Anordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Puls-WeitenModulations-Dimmeinheit ist.
9. 9. Anordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (2; 2a, 2b) des Stroms ein konstanter Stromgenerator ist.
10. 10. Anordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (2; 2a, 2b) des Strom einen Transformator (2a) umfasst, dessen Sekundärwicklung einen Brückengleichrichter (2b) versorgt, wobei der Ausgangskondensator (3) über die Ausgangsanschlüsse des Brückengleichrichters (2b) verbunden ist.
11. 11. Anordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Flyback-Energiestufe oder eine andere getaktete Energieversorgungstopologie oder einen niederfrequenten konventionellen Transformator beinhaltet. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7