AT13282U1 - Betrieb von Leuchtdioden - Google Patents

Abstract

Es wird vorgeschlagen ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode (2, 3) mittels einer Schaltreglerschaltung, der eine Eingangsspannung (Vin) zugeführt wird und die zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (2, 3) mit einem zickzackförmigen Strom (IL) einen Energiespeicher (L1) und einen durch eine Steuereinheit (6) getakteten Schalter (S1) umfasst, wobei durch Ein- bzw. Ausschalten des Schalters (S1) sich eine Energie im Energiespeicher (L1) aufbaut und über die wenigstens eine Leuchtdiode (2, 3) wieder entlädt, wobei die Steuereinheit (6)- ein erstes Umschalten des Schalters (S1) herbeiführt, sobald der Leuchtdiodenstrom (IL) einen Schwellwert (Itarget_max) erreicht, und- ein folgendes, dem ersten Umschalten entgegengesetztes Umschalten des Schalters (S1) nach einer Zeitdauer (toff) herbeiführt,wobei zum Erzielen eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts (Iavg) des Leuchtdiodenstroms eine erste Verzögerung (td_comp) zwischen dem Erreichen des Schwellwerts (Itarget_max) durch die Leuchtdiodenstrom (IL) einerseits und dem tatsächlichen ersten Umschalten des Schalters (S1) andererseits bei der Bestimmung der Zeitdauer (toff) berücksichtigt wird.

Description

österreichisches Patentamt AT13 282U1 2013-09-15

Beschreibung

BETRIEB VON LEUCHTDIODEN

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und eine Schaltung zum Betrieb von Leuchtdioden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf den Betrieb von Leuchtdioden mittels eines Schaltreglers zur Regelung des Leuchtdioden-Stroms.

[0002] Unter Leuchtdioden (LEDs) sind im übrigen durchgehend auch OLEDs zu verstehen.

[0003] Die Benutzung von Schaltreglern zur Ansteuerung von Leuchtdioden ist grundsätzlich bekannt. Dabei steuert eine Steuereinheit einen getakteten Halbleiter-Leistungsschalter an, mittels dem in dessen eingeschalteten Zustand eine Induktivität energetisiert wird, wobei sich die Energie der Induktivität im ausgeschalteten Zustand des Schalters dann über die Leuchtdiodenstrecke entlädt.

[0004] Es kommt somit durch die Leuchtdioden zu einem zickzackförmigen Stromverlauf um einen konstanten Mittelwert herum, wobei sich im eingeschalteten Zustand des Schalters jeweils eine ansteigende Flanke und im ausgeschalteten Zustand des Schalters eine abfallende Flanke des Leuchtdiodenstroms ergibt.

[0005] Bekannt ist übrigens, dass die Zeitdauer zwischen einem Einschalten und einem unmittelbar darauffolgenden Ausschalten des Schalters dadurch bestimmt wird, dass nach einem Einschalten des Schalters der Schalterstrom anhand eines Messwiderstands überwacht wird. Das Ende der Einschaltzeitdauer ist dann dadurch festgelegt, dass der erfasste Schalterstrom einen oberen Schwellwert erreicht bzw. überschreitet.

[0006] Problematisch bei dieser Vorgehensweise ist, dass in Realität die Ansteuerung des Schalters eine gewisse Zeitverzögerung beinhaltet. Die Überwachung des durch die Leuchtdioden fließenden Stroms im geschlossenen Zustand des Schalters und insbesondere die Öffnung des Schalters bei Erkennen des oberen Schwellwerts verursacht eine Zeitverzögerung.

[0007] Bis das Überschreiten des oberen Schwellwerts erkannt wird und das entsprechende Signal zum Öffnen des Schalters generiert wird und dieser letztendlich tatsächlich öffnet, vergeht eine gewisse Zeit, so dass das eigentliche Öffnen des Schalters mit einer gewissen Verzögerung erfolgt. D.h., der durch die Leuchtdioden fließende Strom erreicht tatsächlich einen höheren Endwert, als dies durch die Schwellwert-Überwachung eigentlich vorgesehen ist.

[0008] Dieses Problem wird nunmehr durch die Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung vorteilhaft weiter.

[0009] Grundgedanke der Erfindung ist es, einer Verschiebung des mittleren Leuchtdiodenstroms durch Hardware- oder Software-Verzögerungen entgegenzuwirken.

[0010] In einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode mittels einer Schaltreglerschaltung, der eine Eingangsspannung zugeführt wird und die zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode mit einem (näherungsweise) zickzackförmigen Strom einen Energiespeicher und einen durch eine Steuereinheit getakteten Schalter umfasst, wobei durch Ein- bzw. Ausschalten des Schalters sich eine Energie im Energiespeicher aufbaut und über die wenigstens eine Leuchtdiode wieder entlädt. Die Steuereinheit führt ein erstes Umschalten des Schalters herbei, sobald der Leuchtdiodenstrom einen Schwellwert erreicht. Die Steuereinheit führt ein folgendes, dem ersten Umschalten entgegengesetztes Umschalten des Schalters nach einer Zeitdauer herbei.

[0011] Zum Erzielen eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts des Leuchtdiodenstroms wird eine erste Verzögerung zwischen dem Erreichen des Schwellwerts durch den Leuchtdiodenstrom einerseits und dem tatsächlichen ersten Umschalten des Schalters andererseits bei der Bestimmung der Zeitdauer berücksichtigt. 1 /14 österreichisches Patentamt AT13 282U1 2013-09-15 [0012] In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Erzielen eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts des Leuchtdiodenstroms ein Über- bzw. Unterschreiten des Schwellwerts nach Erreichen des Schwellwerts durch eine Anpassung der Zeitdauer kompensiert wird.

[0013] In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein entsprechendes Betriebsgerät vorgesehen.

[0014] In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine integrierte Schaltung vorgesehen, insbesondere ASIC oder Microcontroller oder eine Hybridversion davon, die zur Implementierung eines derartigen Verfahrens ausgebildet ist.

[0015] Es ist vorgesehen, die erste Verzögerung beim Erfassen des Erreichens des Schwellwerts und/oder beim Ansteuern des Schalters z.B. durch eine PWM-Einheit oder eine Gate-Treiberschaltung zu kompensieren. Die Kompensation kann also bspw. durch Veränderung des Tastverhältnisses einer PWM-Modulation des Stromverlaufs erzielt werden, deren Frequenz wesentlich niedriger ist als die Schaltzyklen des Schalters.

[0016] Zum Erzielen des gewünschten gemittelten Leuchtdiodenstroms kann auch eine z.B. von einer Gate-Treiberschaltung verursachte zweite Verzögerung beim Schließen des Schalters berücksichtigt werden.

[0017] Die erste Verzögerung und/oder die zweite Verzögerung kann gemessen oder geschätzt werden, und vorzugsweise dauerhaft in der Steuereinheit gespeichert werden.

[0018] Die erste Verzögerung und/oder die zweite Verzögerung kann derart bei der Bestimmung der Zeitdauer berücksichtigt werden, dass einer Verschiebung des mittleren Leuchtdiodenstroms entgegengewirkt wird.

[0019] Das erste Umschalten kann ein Ausschalten sein und das zweite Umschalten ein Einschalten des Schalters. Alternativ kann das erste Umschalten ein Einschalten sein und das zweite Umschalten ein Ausschalten des Schalters.

[0020] Das erste Umschalten des Schalters kann herbeigeführt werden, sobald der ansteigende Leuchtdiodenstrom einen oberen Schwellwert erreicht, oder sobald der abfallende Leuchtdiodenstrom einen unteren Schwellwert erreicht.

[0021] Ein Über- bzw. Unterschreiten des Schwellwerts nach Erreichen des Schwellwerts kann durch Anpassung der Zeitdauer kompensiert werden.

[0022] Die der Schaltreglerschaltung zugeführte Eingangsspannung kann in einem geschlossenen Zustand des Schalters einen Strom durch die wenigstens eine Leuchtdiode verursachen und gleichzeitig den Energiespeicher aufladen. In einem geöffnetem Zustand des Schalters kann die im Energiespeicher gespeicherte Energie sich als Strom durch die wenigstens eine Leuchtdiode wieder entladen.

[0023] Die Schaltreglerschaltung kann als Abwärtswandler oder Aufwärtswandler ausgestaltet sein.

[0024] Die Erfindung betrifft insbesondere die Ansteuerung zum Betreiben von LEDs mithilfe eines Schaltreglers, insbesondere eines Buck-Konverters. In einem geschlossenen Zustand eines Schalters ein Strom durch die LED fließt und gleichzeitig eine Induktivität aufgeladen wird. Wird der Schalter geöffnet, erfolgt ein Entladen der Induktivität wiederum über die LEDs, so dass dauerhaft Strom durch diese fließt. Durch hochfrequentes Öffnen und Schließen des Schalters wird dabei ein dauerhaft ansteigender und wiederum abfallender LED-Strom erzielt, der um einen vorgegebenen, gewünschten Mittelwert schwankt.

[0025] Da sich durch Verzögerungen z.B. beim Öffnen des Schalters eine Verschiebung des mittleren Leuchtdiodenstroms ergeben kann, wird vorgeschlagen, die Ausschaltdauer des Schalters derart zu modifizieren, dass trotz Verzögerungen der gewünschte Mittelwert gehalten wird. 2/14 österreichisches Patentamt AT13 282U1 2013-09-15 [0026] Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden.

[0027] Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betriebsschaltung für Leuchtdioden gemäß einer Buck-Topologie, [0028] Fig. 2 zeigt eine hysteretische Stromregelung, [0029] Fig. 3 zeigt eine hysteretische Stromregelung gemäß der vorliegenden Erfindung, [0030] Fig. 4 zeigt eine hysteretische Stromregelung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem PWM-Betrieb, und [0031] Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betriebsschal tung für Leuchtdioden gemäß einer Boost-Topologie.

[0032] Fig. 1 zeigt schematisch ein Betriebsgerät 1 zum geregelten Betrieb von Leuchtdioden oder LEDs 2, 3. In der dargestellten Ausführungsform sind zwei Leuchtdioden 2, 3 in Serie zwischen den Anschlusspunkten 4, 5 geschaltet. Die Leuchtdioden bilden eine Leuchtdiodenstrecke. Weiterhin können auch mehr oder weniger LEDs eingesetzt werden. Zwischen den Anschlusspunkten 4, 5 können auch Leuchtdioden in parallel geschaltet sein. Alternativ können zwischen diesen Anschlusspunkten 4, 5 auch mehrere Leuchtdioden-Reihenschaltungen in parallel vorgesehen sein.

[0033] Dem Betriebsgerät 1 wird eine Eingangsspannung Vin zugeführt, vorzugsweise in Form einer konstanten Gleichspannung. Alternativ kann diese Eingangsspannung Vin auch eine gleichgerichtete Wechselspannung sein.

[0034] In Serie zu der Leuchtdiodenstrecke ist eine Spule L1 zur Energie-Speicherung vorgesehen. Eine Freilaufdiode D1 ist parallel zu den Leuchtdioden 2, 3 und der Spule L1 verschaltet. Die Kathode der Freilaufdiode D1 ist mit der Eingangsspannung Vin verbunden. Ein Schalter S1 ist wiederum mit der Anode der Freilaufdiode D1 verbunden. Der Schalter S1 ist vorzugsweise ein Halbleiterleistungsschalter z.B. in Form eines MOSFETs oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors.

[0035] Die Spule L1, die Freilaufdiode D1 und der Schalter S1 bilden zusammen einen Schaltregler, der in Fig. 1 als Abwärtswandler, auch Buck-Konverter genannt, ausgestaltet ist.

[0036] Die Serienschaltung zwischen dem Schalter S1 und der Freilaufdiode D1 energetisiert in eingeschaltetem Zustand des Schalters S1 eine Induktivität L1 mittels des durch den Schalter S1 fließenden Stroms. Im ausgeschalteten Zustand des Schalter S1 entlädt sich die in der Spule L1 gespeicherte Energie in Form eines Stroms durch die Leuchtdiodenstrecke.

[0037] Mittels eines zwischen dem Schalter S1 und Masse geschalteten Messwiderstands RM wird im eingeschalteten Zustand des Schalter S1 der Strom durch den Schalter S1 erfasst. Dieser erfasste Strom entspricht auch dem Strom durch die Spule L1 und dem Strom durch die Leuchtdioden 2, 3.

[0038] Die den Strom durch den Schalter S1 wiedergebende Messspannung VRM wird einer Steuereinheit 6 zugeführt, die abhängig von dieser Rückkopplung den Schalter S1 ansteuert.

[0039] Über einen Spannungsteiler R1, R2 kann die Steuereinheit 6 das Potential auf der potentialniedrigeren Seite der Leuchtdiodenstrecke erfassen. Ein weiterer Spannungsteiler R3, R4 ermöglicht die Erfassung der Eingangsspannung Vin. Die Leuchtdiodenspannung VF, d.h. die Spannung zwischen den Anschlusspunkten 4 und 5, kann die Steuereinheit 6 anhand der Differenz zwischen der über den Spannungsteiler R3, R4 erfassten Eingangsspannung Vin und der mittels des Spannungsteilers R1, R2 erfassten Spannung an der potentialniedrigeren Seite der Leuchtdiodenstrecke ermitteln.

[0040] In der Steuereinheit 6 ist ein Komparator oder Differenzverstärker K1 vorgesehen. Der Komparator K1 vergleicht die Messspannung VRM mit einem Referenzwert Vrefl. Der Ausgang 3/14 österreichisches Patentamt AT13 282U1 2013-09-15 des Komparators K1 ist mit einer PWM (Impulsbreitenmodulation) -Einheit 7 verbunden. Der Gate-Anschluss des Schalters S1 ist mit dem Ausgang einer Gate-Treiberschaltung 8 verbunden. Über diese Gate-Treiberschaltung 8 bestimmt die Steuereinheit 6 bzw. die PWM-Einheit 7 das Schaltverhalten des Schalters S1.

[0041] Die Steuereinheit 6 gibt als Stellgröße der Regelung des Leuchtdiodenstroms die Taktung des Schalter S1 beispielsweise in Form von hochfrequenten modulierten Signalen vor. Die Frequenz, mit der der Schalter S1 des Schaltreglers angesteuert wird, kann im Bereich von 10 kHZ bis zu einigen MHz liegen.

[0042] Zusätzlich dazu kann mit der PWM-Einheit 7 dieser höheren Frequenz eine niedrige Frequenz überlagert werden, die der Frequenz eines PWM-Pulses. In diesem Fall können die Leuchtdioden 2, 3 mit einem PWM-Puls mit niedrigerer Frequenz angesteuert werden.

[0043] Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Steuereinheit 6 beispielsweise eine hysteretische Stromregelung anwenden. Fig. 2 zeigt einen Verlauf des Stroms IL durch die Spule L und durch die Leuchtdioden 2, 3 gemäß einer hysteretischen oder kontinuierlichen Stromregelung. Dieser Regelungsmodus ergibt einen zickzackförmigen Stromverlauf mit einer Welligkeit ltarget_ripple um einen zeitlichen Mittelwert lavg. Zur Einstellung eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts lavg ist die Bestimmung der Zeitpunkte, zu denen der Schalter S1 geschlossen und wieder geöffnet wird, entscheidend.

[0044] Eine Ausführung der Erfindung geht von einer Steuerung des Schalter S1 aus, bei der zunächst der Schalter S1 geschlossen und bei Überschreiten der oberen Schwelle wieder geöffnet wird. Der ansteigende Strom, der durch die LED fließt, wird über den Messwiderstand RM erfasst und bei Erreichen einer vorgegebenen Schwelle ltarget_max wird der Schalter S1 geöffnet.

[0045] Die Dauer, über welche der Schalter S1 geöffnet bleiben soll, um einen gewünschten Mittelwert lavg zu erzielen, liegt nicht von vorneherein fest, sondern wird auf Basis der durch die Leuchtdioden fließenden Spannung VF ermittelt: _ L ^Targer_Ripple off _Taxget ~ y

V F

[0046] Die Ausschaltzeitdauer toffjarget hängt vom Induktanzwert L der Spule L1, von der gewünschten Welligkeit ltarget_ripple und somit vom gewünschten Mittelwert lavg, und letztlich von der Leuchtdiodenspannung VF ab. Die Leuchtdiodenspannung VF kann, wie oben beschrieben, anhand der Spannungsteiler R1, R2 und R3, R4 ermittelt werden.

[0047] Die Fig. 3 zeigt den zickzackförmigen Verlauf des Leuchtdiodenstroms. Zum Zeitpunkt des Erreichens der oberen Schwelle ltarget_max sollte der Schalter S1 ausgeschaltet werden, so dass durch Einhaltung der Ausschaltzeitdauer toffjarget den gewünschten Mittelwert lavg erreicht werden kann.

[0048] Zwischen dem Erreichen der oberen Schwelle ltarget_max und dem tatsächlichen Öffnen des Schalters S1 vergeht aber die in Fig. 3 gezeigte Zeit td_comp. Da sich hierdurch eine Verschiebung des mittleren Leuchtdiodenstroms lavg ergeben würde, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Ausschaltdauer bzw. Öffnungsdauer toffjarget des Schalters entsprechend zu modifizieren, um der nicht zu vermeidenden Verzögerung beim Öffnen des Schalters Rechnung zu tragen.

[0049] Das Grundprinzip besteht dabei darin, dass ausgehend von der theoretischen Ausschaltzeitdauer toffjarget, bei der zum Erreichen des gewünschten zeitlichen Mittelwerts lavg der Schalter S1 normalerweise zu öffnen wäre, das Öffnen wiederum mit einer gewissen Verzögerung erfolgt. Dementsprechend wird das beim Öffnen vorliegende Überschreiten der oberen Schwelle lerror off durch ein Unterschreiten der unteren Schwelle lerror on ausgeglichen. Es sollen beide tatsächlich erhaltenen Stromwerte zum Zeitpunkt des tatsächlichen Öffnen bzw. Schließen des Schalters derart sein, dass der sich ergebene Mittelwert dem gewünschten, 4/14 österreichisches Patentamt AT13 282U1 2013-09-15 vorgegebenen Sollstrom entspricht.

[0050] Bei der Ansteuerung des Schalters S1 wird die Ausschaltzeitdauer toff_target dahingehend korrigiert, dass Verzögerungen in der Steuereinheit berücksichtigt werden, insbesondere Verzögerungen, die sich bei der Ermittelung des Erreichens der oberen Schwelle und bei der Ansteuerung des Schalters ergeben.

[0051] Zur berechneten theoretischen Ausschaltzeitdauer toff_target soll folgendes Korrektiv toff correction addiert werden: t off _Correctiori

Yjn_ on [0052] Der Wert td_comp ist dabei die Zeitdauer zwischen Erreichen der oberen Schwelle ltarget_max und tatsächlichem Öffnen des Schalters, td_on die Zeitdauer zwischen Erreichen der unteren Schwelle ltarget_min und tatsächlichem Schließen des Schalters, wobei ltarget_min = ltarget_max - ltarget_ripple.

[0053] Für die korrigierte Ausschaltzeitdauer ergibt sich dann folgenden Wert: hff ^off _Targoff _ Correction 4 _ ^ ^Targer_Ripple , °,=

* IN t, —t, d _comp d _on [0054] Durch diese Korrektur wird berücksichtigt, dass die Gate-Treiberschaltung 8, die die Ansteuerung des Schalters S1 vornimmt, auch mit einer gewissen Verzögerung td_on behaftet ist.

[0055] Es wird auch berücksichtigt, dass beim Öffnen des Schalters S1 am oberen Schwellwert das gesamte Regelungssystem bestehend aus dem Komparator K1, der PWM-Einheit 7 und der Gate-Treiberschaltung 8 zu einer gewissen Verzögerung führt.

[0056] Beim Schließen des Schalters hingegen verursacht der Komparator K1 keine Verzögerung. Es liegt beim Schließen lediglich die Verzögerung durch die Gate-Treiberschaltung 8 vor.

[0057] Nicht nur Hardware-Verzögerungen sondern auch Verzögerungen, die durch die Software insbesondere der Steuereinheit 6 verursacht werden, können kompensiert werden.

[0058] Die Zeitdauer toff_target ist ein Faktor, der auf Basis einer Berechnung beruht, um den gewünschten Mittelwert lavg zu erzielen.

[0059] Die Erfindung ist bezüglich des ersten Faktors nicht auf eine derartige berechnete und variable Ausschaltzeit beschränkt, sondern könnte auch dann zum Einsatz kommen, wenn grundsätzlich eine feste Ausschaltzeit toff_target vorgesehen ist. Die Dauer der gewünschten Öffnungszeit ist in solch einer Ausführungsform vorgegeben. Nach Ablauf dieser Öffnungszeit wird der Schalter S1 wieder geschlossen und es wird wieder erfasst, wann der ansteigende Strom die Schwelle ltarget_max erreicht. Ein gewünschter Mittelwert lavg kann entsprechend durch Anpassung des oberen Schwellwerts ltarget_max eingestellt werden. Auch in diesem Fall ist der Korrekturfaktor toff_correction sinnvoll, um die Verzögerungen zu kompensieren.

[0060] Der Korrekturfaktor toff_correction, welcher die Verzögerungen berücksichtigen, und insbesondere die Verzögerungen td_comp und td_on können z.B. auf Messungen unmittelbar nach Herstellung des Betriebsgeräts beruhen, oder auf Basis früherer Erkenntnisse geschätzt werden, oder auch ausgehend von Kalibrierungsdaten ermittelt werden.

[0061] Der im Korrekturfaktor toff_correction verwendete Wert der Leuchtdiodenspannung VF kann gemessen werden, z.B. mit Hilfe der Spannungsteiler. Der Wert der Eingangsspannung Vin kann ebenfalls gemessen werden. Falls der Wert der Eingangsspannung Vin nicht veränderbar sein soll, kann er auch z.B. in der Steuereinheit 6 gespeichert werden. 5/14 österreichisches Patentamt AT13 282U1 2013-09-15 [0062] Dieser hysteretischen Regelung kann natürlich bspw. eine PWM-Ansteuerung überlagert sein, so dass sich der zickzackförmige, nicht auf Null abfallende Stromverlauf nur in den Einschaltzeitdauern der Impulse einstellt, und sonst der Strom Null ist.

[0063] Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf des Stroms durch die Leuchtdioden bei solch einer PWM-Ansteuerung. In der Figur sind zwei PWM-Pulse 41, 42 gezeigt. Diese PWM-Pulse weisen eine im Vergleich zur Ein- und Ausschaltfrequenz des Schalters S1 niedrigere Frequenz auf.

[0064] In der Zeitdauer eines PWM-Impulses findet die zuvor erläuterte Verzögerungs-Kompensation statt. Dies ist dadurch in Fig. 4 insofern sichtbar, dass auf das durch die Verzögerungen verursachte Überschreiten der oberen Schwelle ltarget_max ein derartiges Unterschreiten der unteren Schwelle ltarget_max - ltarget_ripple folgt, dass während des PWM-Impulses 41 der mittlere Wert des Leuchtdiodenstroms tatsächlich einem gewünschten Wert entspricht.

[0065] In der Zeitdauer 43 zwischen den Impulsen 41,42 sinkt der Leuchtdiodenstrom aufgrund der PWM-Ansteuerung auf Null. In dieser Zeitdauer kann vorzugsweise auf die Kompensierung der Verzögerungen verzichtet werden.

[0066] Ferner ist zu berücksichtigen, dass das erfindungsgemäße Konzept nicht ausschließlich auf Buck-Konverter beschränkt ist, sondern auf alle Schaltregler mit anderen Topologien angewandt werden könnte, bei denen das Überschreiten einer oberen Schwelle erfasst und daraufhin das Ausschalten des Schalters vorgesehen ist.

[0067] Das Betriebsgerät wird in Ausführungsbeispiel der Fig. 1 durch einen Buck-Konverter gebildet, kann aber auch beispielsweise durch einen Boost-Konverter, Buck-Boost-Konverter oder anderen Schaltregler gebildet werden.

[0068] Fig. 5 zeigt eine Modifikation der Schaltung von Fig. 1 dahingehend, dass die Anordnung der Drossel L1, der Freilaufdiode D1 sowie der Orientierung der Leuchtdiodenstrecke modifiziert ist. Der Schaltregler weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Aufwärtswandler- oder Boost-Topologie auf.

[0069] Durch alternierendes Ansteuern des Schalters S1 durch die Steuereinheit 6 wird auf diese Weise der Leuchtdioden ein Strom zur Verfügung gestellt, über welchen diese betrieben werden. Die Zeitdauer des Ein- und Ausschaltens des Schalter S1 durch die Steuereinheit 6 kann ebenfalls variiert werden, um die Höhe des der Leuchtdioden zugeführten Stroms und damit die Leistung, bei welcher die Leuchtdioden betrieben werden, einzustellen.

[0070] Bei geschlossenem Schalter S1 wird die Spule L1 aufmagnetisiert und die magnetische Energie wird sich bei wiedergeöffnetem Schalter S1 über den Strompfad entladen, der in Serie die Freilaufdiode D1, die Leuchtdioden sowie einen Widerstand RM' aufweist. Ein Kondensator C1 ist optional parallel zu den Leuchtdioden geschaltet.

[0071] Der Widerstand RM' ist zur Erfassung des Leuchtdiodenstroms in Serie zu den Leucht-dioden geschaltet. Hierzu kann die Steuereinheit 6 die Spannung über den Widerstand RM' insbesondere mit Hilfe des Spannungsteilers R3, R4 einerseits und mit Hilfe einer Messung der Eingangsspannung Vin andererseits, ermitteln.

[0072] Sobald der Leuchtdiodenstrom einen gegebenen Schwellwert erreicht, wird ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 der Schalter S1 umgeschaltet. Um den gewünschten Mittelwert des Leuchtdiodenstroms zu erzielen, wird ähnlich wie im obigen Ausführungsbeispiel eine Zeitdauer bestimmt, nach Ablauf derer der Schalter wieder umzuschalten ist. Diese gewünschte Zeitdauer ebenso durch den Korrekturfaktor geändert werden, um Verzögerungen zu kompensieren.

[0073] Die obigen Ausführungsbeispiele basieren darauf, dass bei Überschreiten einer oberen Schwelle der Schalter für eine bestimmte theoretische Zeitdauer auszuschalten ist, bevor er wieder eingeschaltet werden kann. Die Erfindung lässt sich auch auf Fälle anwenden, bei denen umgekehrt das Erreichen bzw. Unterschreiten einer unteren Schwelle insbesondere des 6/14 österreichisches Patentamt AT 13 282 Ul 2013-09-15

Leuchtdiodenstroms erfasst wird und daraufhin das Einschalten des Schalters für eine bestimmte theoretische Zeitdauer vorgesehen ist. Auch diese theoretische Zeitdauer wird erfindungsgemäß derart korrigiert, dass das Auftreten von Hardware- und Software-Verzögerungen kompensiert wird. 7/14

Claims (14)

1. österreichisches Patentamt AT13 282U1 2013-09-15 Ansprüche 1. Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode (2, 3) mittels einer Schaltregierschaltung, der eine Eingangsspannung (Vin) zugeführt wird und die zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (2, 3) mit einem zumindest näherungsweise zickzackförmigen, vorzugsweise nicht auf Null abfallenden Strom (IL) einen Energiespeicher (L1) und einen durch eine Steuereinheit (6) getakteten Schalter (S1) umfasst, wobei durch Ein- bzw. Ausschalten des Schalters (S1) sich eine Energie im Energiespeicher (L1) aufbaut und über die wenigstens eine Leuchtdiode (2, 3) wieder entlädt, wobei die Steuereinheit (6) - ein erstes Umschalten des Schalters (S1) herbeiführt, sobald der Leuchtdiodenstrom (IL) einen Schwellwert (ltarget_max) erreicht, und - ein folgendes, dem ersten Umschalten entgegengesetztes Umschalten des Schalters (S1) nach einer Zeitdauer (toff) herbeiführt, wobei zum Erzielen eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts (lavg) des Leuchtdiodenstroms eine erste Verzögerung (td_comp) zwischen dem Erreichen des Schwellwerts (Itar-get_max) durch die Leuchtdiodenstrom (IL) einerseits und dem tatsächlichen ersten Umschalten des Schalters (S1) andererseits bei der Bestimmung der Zeitdauer (toff) berücksichtigt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Verzögerung (td_comp) beim Erfassen des Erreichens des Schwellwerts (ltarget_max) und/oder beim Ansteuern des Schalters (S1) z.B. durch eine PWM-Einheit (7) oder eine Gate-Treiberschaltung (8) kompensiert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zum Erzielen des gewünschten gemittelten Leuchtdiodenstroms (lavg) auch eine z.B. von einer Gate-Treiberschaltung (8) verursachte zweite Verzögerung (td_on) beim Schließen des Schalters (S1) berücksichtigt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste. Verzögerung (td_comp) und/oder die zweite Verzögerung (td_on) gemessen oder geschätzt wird, und vorzugsweise dauerhaft in der Steuereinheit (6) gespeichert wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Verzögerung (td_comp) und/oder die zweite Verzögerung (td_on) derart bei der Bestimmung der Zeitdauer (toff) berücksichtigt wird, dass einer Verschiebung des mittleren Leuchtdiodenstroms (lavg) entgegengewirkt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das erste Umschalten ein Ausschalten und das folgende Umschalten ein Einschalten des Schalters (S1) ist, oder das erste Umschalten ein Einschalten und das zweite Umschalten ein Ausschalten des Schalters (S1) ist.
7. 7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das erste Umschalten des Schalters (S1) herbeigeführt wird, sobald der ansteigende Leuchtdiodenstrom (IL) einen oberen Schwellwert (ltarget_max) erreicht, oder sobald der absteigende Leuchtdiodenstrom (IL) einen unteren Schwellwert erreicht.
8. 8. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei ein Über- bzw. Unterschreiten des Schwellwerts nach Erreichen des Schwellwerts durch Anpassung der Zeitdauer (toff) kompensiert wird. 8/14 österreichisches Patentamt AT 13 282 Ul 2013-09-15
9. 9. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die der Schaltreglerschaltung zugeführte Eingangsspannung (Vin) in einem geschlossenen Zustand des Schalters (S1) einen Strom durch die wenigstens eine Leuchtdiode (2, 3) verursacht und gleichzeitig den Energiespeicher (L1) auflädt, und in einem geöffnetem Zustand des Schalters (S1) die im Energiespeicher (L1) gespeicherte Energie sich als Strom durch die wenigstens eine Leuchtdiode (2, 3) wieder entlädt.
10. 10. Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode (2, 3) mittels einer Schaltreglerschaltung, der eine Eingangsspannung (Vin) zugeführt wird und die zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (2, 3) mit einem zumindest näherungsweise, vorzugsweise nicht auf Null abfallenden zickzackförmigen Strom (IL) einen Energiespeicher (L1) und einen durch eine Steuereinheit (6) getakteten Schalter (S1) umfasst, wobei durch Ein- bzw. Ausschalten des Schalters (S1) sich eine Energie im Energiespeicher (L1) aufbaut und über die wenigstens eine Leuchtdiode (2, 3) wieder entlädt, wobei die Steuereinheit (6) - ein erstes Umschalten des Schalters (S1) herbeiführt, sobald der Leuchtdiodenstrom (IL) einen Schwellwert (ltarget_max) erreicht, und - ein folgendes, dem ersten Umschalten entgegengesetztes Umschalten des Schalters (S1) nach einer Zeitdauer (toff) herbeiführt, wobei zum Erzielen eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts (lavg) des Leuchtdiodenstroms ein Über- bzw. Unterschreiten des Schwellwerts nach Erreichen des Schwellwerts (ltarget_max) durch Anpassung der Zeitdauer (toff) kompensiert wird.
11. 11. Integrierte Schaltung, insbesondere ASIC oder Microcontroller oder eine Hybridversion davon, die zur Implementierung eines Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche ausgebildet ist.
12. 12. Betriebsgerät für wenigstens einer Leuchtdiode (2, 3) aufweisend eine Schaltreglerschaltung, der eine Eingangsspannung (Vin) zugeführt wird und die zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (2, 3) mit einem zickzackförmigen Strom (IL) einen Energiespeicher (L1) und einen durch eine Steuereinheit (6) getakteten Schalter (S1) umfasst, wobei durch Ein- bzw. Ausschalten des Schalters (S1) sich eine Energie im Energiespeicher (L1) aufbaut und über die wenigstens eine Leuchtdiode (2, 3) wieder entlädt, wobei die Steuereinheit (6) - ein erstes Umschalten des Schalters (S1) herbeiführt, sobald der Leuchtdiodenstrom (IL) einen Schwellwert (ltarget_max) erreicht, und - ein folgendes, dem ersten Umschalten entgegengesetztes Umschalten des Schalters (S1) nach einer Zeitdauer (toff) herbeiführt, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgestaltet ist, zum Erzielen eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts (lavg) des Leuchtdiodenstroms eine erste Verzögerung (td_comp) zwischen dem Erreichen des Schwellwerts (ltarget_max) durch die Leuchtdiodenstrom (IL) einerseits und dem tatsächlichen ersten Umschalten des Schalters (S1) andererseits bei der Bestimmung der Zeitdauer (toff) zu berücksichtigen.
13. 13. Betriebsgerät für wenigstens einer Leuchtdiode (2, 3) aufweisend eine Schaltreglerschaltung, der eine Eingangsspannung (Vin) zugeführt wird und die zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (2, 3) mit einem zickzackförmigen Strom (IL) einen Energiespeicher (L1) und einen durch eine Steuereinheit (6) getakteten Schalter (S1) umfasst, wobei durch Ein- bzw. Ausschalten des Schalters (S1) sich eine Energie im Energiespeicher (L1) aufbaut und über die wenigstens eine Leuchtdiode (2, 3) wieder entlädt, wobei die Steuereinheit (6) - ein erstes Umschalten des Schalters (S1) herbeiführt, sobald der Leuchtdiodenstrom (IL) einen Schwellwert (ltarget_max) erreicht, und 9/14 österreichisches Patentamt AT 13 282 Ul 2013-09-15 - ein folgendes, dem ersten Umschalten entgegengesetztes Umschalten des Schalters (S1) nach einer Zeitdauer (toff) herbeiführt, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgestaltet ist, wobei zum Erzielen eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts (lavg) des Leuchtdiodenstroms ein Über- bzw. Unterschreiten des Schwellwerts nach Erreichen des Schwellwerts (ltarget_max) durch Anpassung der Zeitdauer (toff) zu kompensieren.
14. 14. Betriebsgerät nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Schaltreglerschaltung als Abwärtswandler oder Aufwärtswandler ausgestaltet ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 10/14