AT13949U1 - Leuchtmittel-Betriebsschaltung mit getaktetem Konverter zum digitalen Einstellen einer Farbtemperatur und/oder eines Dimmpegels - Google Patents

Abstract

Es wird eine Betriebsschaltung bereitgestellt mit wenigstens einem LED-Kanal zur Versorgung wenigstens einer LED-Strecke mit wenigstens einer LED, wobei der Betriebsschaltung an wenigstens einem eingangsseitigen Anschluss eine elektrische Versorgung zuführbar ist, und die Betriebsschaltung wenigstens einen durch eine Steuereinheit getakteten ersten Schalter eines Konverters, vorzugsweise eines Buck-Konverters, aufweist, von dem ausgehend die wenigstens eine der LED-Strecke elektrisch versorgbar ist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, an einem Spanungsteiler der Betriebsschaltung einen die Anoden-Spannung der wenigstens einen LED-Strecke wiedergebenden ersten elektrischen Parameter zu ermitteln, und mittels einer Filterschaltung der Betriebsschaltung einen die KathodenSpannung wiedergebenden zweiten elektrischen Parameter zu ermitteln.

Description

Beschreibung

LEUCHTMITTEL-BETRIEBSSCHALTUNG MIT GETAKTETEM KONVERTER ZUM DIGITA¬LEN EINSTELLEN EINER FARBTEMPERATUR UND/ODER EINES DIMMPEGELS

[0001] Die Erfindung betrifft eine Leuchtmittel-Betriebsschaltung zur Ansteuerung einerLeuchtmittel-Strecke und insbesondere einer LED-Strecke mit wenigstens einer LED. Die LED-Strecke wird dabei ausgehend von einem getakteten Konverter angesteuert, vorzugsweise voneinem Buck-Konverter. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die indirekte Ermittlung desStroms (ILed) durch die LED-Strecke zum Zwecke der Regelung des LED-Stroms.

[0002] Halbleiterlichtquellen wie beispielsweise Leuchtdioden sind während der letzten Jahrefür Beleuchtungsanwendungen zunehmend interessant geworden. Der Grund dafür liegt unteranderem darin, dass entscheidende technische Innovationen und große Fortschritte sowohl beider Helligkeit als auch bei der Lichteffizienz (Lichtleistung pro Watt) dieser Lichtquellen erzieltwerden konnten. Nicht zuletzt durch die vergleichsweise lange Lebensdauer konnten sichLeuchtdioden zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichen Lichtquellen wie Glüh- oderGasentladungslampen entwickeln.

[0003] Halbleiterlichtquellen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und werdenim Folgenden allgemein als „LED" (Light Emitting Diode) bezeichnet. Dieser Begriff soll imFolgenden sowohl Leuchtdioden aus anorganischen Materialien als auch Leuchtdioden ausorganischen Materialien umfassen (OLED).

[0004] Es ist bekannt, dass die Lichtabstrahlung von LEDs mit dem Stromfluss durch die LEDskorreliert. Zur Helligkeitsregelung werden LEDs daher grundsätzlich in einem Modus betrieben,in dem der Strom durch die LED geregelt wird.

[0005] In der Praxis werden zur Ansteuerung einer Anordnung von einer LED oder mehrerenLEDs vorzugsweise Schaltregler, beispielsweise Tiefsetzsteiler (Step-Down- oder Buck-Kon-verter) verwendet. Ein derartiger Schaltregler ist beispielsweise aus der DE 10 2006 034371 A1bekannt. Dabei steuert eine Steuereinheit einen hochfrequent getakteten Schalter (beispiels¬weise einen Leistungstransistor, FET, MOSFET) an. Im eingeschalteten Zustand des Schaltersfließt Strom über die LED Anordnung und eine Spule, die dadurch aufgeladen wird. Die zwi¬schengespeicherte Energie der Spule entlädt sich im ausgeschalteten Zustand des Schaltersüber die LED(s) (Freilaufphase).

[0006] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung soll nun mittels wenigstens zwei un¬terschiedlichen LED-Kanälen ein Dimmen eines Mehrkanal-Moduls hinsichtlich der Farbtempe¬ratur wie auch der Gesamtintensität erfolgen. Ein LED-Kanal weist dabei wenigstens eine LEDauf und wird durch ein Modul betrieben. Eine solche Betriebsschaltung kann auch als Mehrka¬nal-Betriebsschaltung ausgebildet sein, so dass durch ein Modul mehrere LED-Kanäle, insbe¬sondere Kanäle, die Weißlicht-LEDs aufweisen, betrieben werden können.

[0007] Jeder Weißlicht-LED-Kanal ist vorzugsweise durch einen ihm zugeordneten Buck-Konverter versorgt, dessen Busspannung von einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC)erzeugt wird. Somit wird durch ein Mehrkanal-Betriebsschaltung besonders ein warmer LED-Kanal, ein kalter LED-Kanal, und ggf. noch weitere Kanäle, versorgt, wobei der warme LED-Kanal LEDs aufweist, die ausschließlich oder vorwiegend mit einer wärmeren Farbtemperaturemittieren und wobei der kalte LED-Kanal LEDs aufweist, die ausschließlich oder vorwiegendmit einer kälteren Farbtemperatur emittieren als die LEDs des warmen LED-Kanals.

[0008] Für ein kombiniertes Einstellen einer Farbtemperatur bzw. einer Gesamtintensität (Dim¬men) der von der Mehrkanal-Betriebsschaltung betriebenen LEDs ist nunmehr mittels reinemPWM-Dimmen (und vorzugsweise ohne Amplitudendimmen) dafür zu sorgen, dass sowohl diegewünschte Farbtemperatur durch das relative Verhältnis des Tastverhältnisses der beidenKanäle warm/kalt, wie auch die gewünschte Gesamtintensität erzielt wird. Der Strom währendder PWM-Impulse wird durch HF-Taktung des Konverters geregelt. Grundsätzlich ist auch die

Amplitude für jeden Kanal einstellbar, dies wird indessen zur Kalibierzwecken verwendet,während bei der Farbtemperaturveränderung bzw. der Gesamtintensitätsveränderung dieAmplitude vorzugsweise konstant gehalten wird. Über die Einstellung des Amplitudenpegelserfolgt eine sehr spezifische Anpassung der Mehrkanal-Betriebsschaltung (LED-Treiber) auf diekonkret angeschlossene LED-Strecke, sodass ein sinnvoller Betrieb einer derart kalibriertenMehrkanal-Betriebsschaltung meist nur mit der jeweiligen LED-Strecke möglich ist.

[0009] Eine weitere Variable ist, dass die LED-Strecke jedes Kanals eine unterschiedlicheAnzahl von LEDs aufweisen kann, sodass die LED-Streckenspannung sehr variabel von bei¬spielsweise wenigen Volt bis zu beispielsweise 350 Volt ist.

[0010] Die Erfindung stellt nun eine Betriebsschaltung, eine Leuchte mit der Betriebsschaltungund ein Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche bereit, die es ermöglichen, indirekt zumZwecke der Regelung des LED-Stroms die LED-Spannung zu ermitteln. Weiterbildungen derErfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0011] In einem ersten Aspekt wird eine Betriebsschaltung bereitgestellt zur Versorgung we¬nigstens einer LED-Strecke mit wenigstens einer LED, wobei der Betriebsschaltung an wenigs¬tens einem eingangsseitigen Anschluss eine elektrische Versorgung zuführbar ist, und dieBetriebsschaltung wenigstens einen durch eine Steuereinheit getakteten ersten Schalter einesKonverters, vorzugsweise eines Buck-Konverters, aufweist, von dem ausgehend die wenigstenseine der LED-Strecke elektrisch versorgbar ist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, aneinem Spanungsteiler der Betriebsschaltung einen die Anoden-Spannung der wenigstens einenLED-Strecke wiedergebenden ersten elektrischen Parameter zu ermitteln, und mittels einerFilterschaltung der Betriebsschaltung einen die Kathoden-Spannung wiedergebenden zweitenelektrischen Parameter zu ermitteln.

[0012] Die Filterschaltung kann ein Tiefpassfilter, vorzugsweise zweiter oder höherer Ordnung,oder ein Bandpassfilter sein.

[0013] Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, einen den Strom durch den Schalterwidergebenden dritten elektrischen Parameter direkt oder indirekt an einem Mess-Widerstandder Betriebsschaltung zu ermitteln, wobei die Steuereinheit weiter dazu eingerichtet ist, dieSpannung an der wenigstens einen LED-Strecke aus dem ersten und dem zweiten elektrischenParameter und, unter Verwendung des dritten elektrischen Parameters, den Strom durch diewenigstens eine LED-Strecke als Istwert zu bestimmen, den Istwert mit einem Sollwert zu ver¬gleichen und abhängig von dem Vergleich die Taktung des Schalters (S1) bspw. durch PWM-Modulation zu verändern.

[0014] Die Steuereinheit kann die Spannung an der wenigstens einen LED-Strecke als Diffe¬renz aus der Anoden-Spannung und der Kathoden-Spannung der LED-Strecke bestimmen,bzw. aus einer Differenz/Summe des ersten und des zweiten elektrischen Parameters.

[0015] Die Steuereinheit kann den LED-Strom bestimmen aus dem Produkt der Anoden-Spannung der LED-Strecke bzw. des ersten elektrischen Parameters und des Stroms durchden Schalter bzw. des dritten elektrischen Parameters dividiert durch die Spannung an derwenigstens einen LED-Strecke oder einen diese wiedergebenden elektrischen Parameter.

[0016] Die Steuereinheit kann den Strom durch den Schalter mittein.

[0017] Der Strom durch die LED-Strecke kann der Steuereinheit als Rückführsignal, zugeführtwerden. Die Steuereinheit kann die Einschaltzeitdauer des Schalters steuern.

[0018] Die Mittelung des Stroms durch den Schalter kann durch einen Tiefpassfilter erfolgen,der z.B. den zeitlichen Mittelwert des Stroms erfasst.

[0019] Das den Schalter ansteuernde erste PWM-Signal kann mit einem zweiten PWM-Signalkombiniert werden, wobei das zweite PWM-Signal im Verhältnis zur Frequenz ersten PWM-Signals niederfrequent ist.

[0020] Die Steuereinheit kann ein Tastverhältnis des ersten PWM- Signals steuern.

[0021] Die Steuereinheit kann den ermittelten Istwert des Stroms durch die LED-Strecke voreinem Vergleich mit dem Sollwert kalibrieren.

[0022] Die Kalibrierung kann die Abweichung des Stroms durch die wenigstens eine LED-Strecke, bzw. des Lichtstroms, von dem gemessenen Strom durch den Schalter kompensierenund z.B. Messfehler der indirekten Messung beseitigen.

[0023] Die Steuereinheit kann den durch die Kalibrierung kompensierten Istwert mit dem Soll¬wert für den Strom durch die LED-Strecke vergleichen und als Steuergröße zur Regelung desStroms durch die LED-Strecke die hochfrequente Taktung des Schalters bzw. das erste PWM-Signal verändern.

[0024] Der Betriebsschaltung kann an wenigstens einem eingangsseitigen Anschluss eine,insbesondere veränderliche, elektrische Versorgung und/oder ein Dimmsignal zugeführt wer¬den.

[0025] Insbesondere kann ein Steuersignal vorgegeben werden, um eine Farbtemperatur ein¬zustellen.

[0026] Die Steuereinheit kann alternativ oder zusätzlich zu dem Istwert den Sollwert kalibrieren.Die Kalibrierung kann vorzugsweise vor Inbetriebnahme der Betriebsschaltung erfolgen, insbe¬sondere fertigungsseitig, d.h. besonders durch den Hersteller.

[0027] Die Steuereinheit kann auf der sich aus dem Vergleich von Istwert und Sollwert für denStrom durch die wenigstens eine LED-Strecke ergebenden Regeldifferenz einem Regelalgo¬rithmus durchführen, dem ein Stellwert zur Ansteuerung des Schalters des Konverters zugeführtwird und davon abhängig das erste PWM- Signal verändern.

[0028] Mit jedem LED-Kanal kann wenigstens eine Weisslicht-LED verbindbar sein.

[0029] Die Betriebsschaltung kann an jedem LED-Kanal wenigstens eine Weisslicht-LED be¬treiben, und wobei die Weisslicht-LEDs an verschiedenen LED-Kanälen verschiedene Farb¬temperaturen aufweisen. Jeder LED-Kanal kann durch einen separaten Konverter versorgt sein.

[0030] Die Steuereinheit kann den getakteten Schalter des jeweiligen Konverters abhängig voneinem Steuersignal einstellen, um eine Farbtemperatur einzustellen, die zwischen den Farb¬temperaturen der verschiedenen LED-Kanäle liegt. Diese einzustellende Farbtemperatur kanndurch das Steuersignal vorgegeben sein.

[0031] In einem weiteren Aspekt wird eine Leuchte bereitgestellt mit einer LED-Strecke mitwenigstens einer LED und einer Betriebsschaltung, wie es vorstehend beschrieben ist.

[0032] In noch einem weiteren Aspekt wird eine Verfahren bereitgestellt zum Betreiben wenigs¬tens eines LED-Kanals durch eine Betriebsschaltung zur Versorgung jeweils wenigstens einerLED-Strecke mit wenigstens einer LED, wobei der Betriebsschaltung an wenigstens einemeingangsseitigen Anschluss eine Versorgungsspannung zugeführt wird, und wobei die Be¬triebsschaltung wenigstens einen durch eine Steuereinheit getakteten ersten Schalter einesKonverters, vorzugsweise eines Buck-Konverters, aufweist, von dem ausgehend wenigstenseine der LED-Strecken elektrisch versorgbar ist, wobei die Steuereinheit an einem erstenSpanungsteiler der Betriebsschaltung einen die Anoden-Spannung der wenigstens einen LED-Strecke wiedergebenden ersten elektrischen Parameter ermittelt, und an einer Filterschaltung,vorzugsweise zweiter Ordnung, der Betriebsschaltung einen die Kathoden-Spannung wieder¬gebenden zweiten elektrischen Parameter ermittelt.

[0033] Die Steuereinheit kann weiter einen den Strom durch den Schalter widergebendendritten elektrischen Parameter direkt oder indirekt an einem Mess-Widerstand der Betriebs¬schaltung ermitteln, wobei die Steuereinheit weiter, die Spannung an der wenigstens einenLED-Strecke aus dem ersten und zweiten elektrischen Parameter und, unter Verwendung desdritten elektrischen Parameters, den Strom durch die wenigstens eine LED-Strecke als Istwertbestimmen, den Istwert mit einem Sollwert vergleichen und abhängig von dem Vergleich dieTaktung des Schalters bspw. durch PWM-Modulation zu verändern.

[0034] Die Erfindung wird nunmehr auch mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Dabeizeigen: [0035] Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

[0036] Fig. 2 exemplarisch einige Stromverläufe in der Schaltungsanordnung.

[0037] Fig. 3 eine schematische Schaltungsanordnung gemäß einer Weiterbildung der Erfin¬ dung.

[0038] Fig. 4 eine exemplarische Ausgestaltung der Schaltungsanordnung aus Fig. 3.

[0039] Fig. 5 exemplarisch einen Zusammenhang von für eine Kalibrierung zumindest teilwei¬ se verwendeten Größen.

[0040] In Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung - unter anderem - einen Tiefsetzsteller (Buck-Converter) für den Betrieb zumindest der LED-Strecke (mit einer oder mehreren in Serie ge¬schalteten LEDs), mit einem ersten Schalter LS, der auch als Konverter-Schalter des Buck-Konverters bezeichnet werden kann. Die Schaltungsanordnung, im Folgenden auch als Be¬triebsschaltung bezeichnet, wird mit einer Gleichspannung bzw. einer gleichgerichteten Wech¬selspannung Vbus versorgt.

[0041] Parallel zu der Versorgungsspannung Vbus ist ein Kondensator CbUs angeordnet. Einerster Mess-Widerstand RVbUsshunt ist über einen ersten Widerstand RVbus mit der Versorgungs¬spannung Vbus verbunden. An diesem ersten Mess-Widerstand Rvbusshum kann die Versorgungs¬spannung Vbus von einer Steuereinheit SE (z.B. einem Mikrocontroller, einer ASIC, einer IC, ...)(nicht gezeigt) erfasst werden.

[0042] Es schließt sich der eigentliche Konverter an, wobei zunächst eine Diode D1,der ersteSchalter LS und ein zweiter Mess-Widerstand RShunt in Serie parallel zum Kondensator CbUsverschaltet sind. Zwischen Diode D1 und dem ersten Schalter LS ist die potentialniedrigereSeite der Diode D1 über eine Spule Lbuck mit einem zu der Diode D1 parallelgeschalteten zwei¬ten Kondensator CLed verbunden. An dem zweiten Mess-Widerstand Rshunt kann, z.B. von derSteuereinheit SE, der Schalter-Strom lLs durch den ersten Schalter LS erfasst werden.

[0043] Parallel zu dem zweiten Kondensator CLed ist schließlich die LED-Strecke LED geschal¬tet.

[0044] Im eingeschalteten Zustand des ersten Schalters LS (während der EinschaltzeitdauerTon) wird in der Spule Lbuck Energie aufgebaut, die sich im ausgeschalteten Zustand des erstenSchalters LS (Zeitdauer Toff) über die LED-Strecke LED entlädt.

[0045] Induktiv mit der Spule Lbuck ist eine Drossel ZX gekoppelt, über die in einem Messkreisdie Lade- und Entlade-Vorgänge (Magnetisierung und Entmagnetisierung) der Spule Lbuck er¬fasst werden können. Insbesondere können über die Drossel ZX Nulldurchgänge, d.h. eineEntladung der Spule Lbuck auf den Null-Pegel, erfasst werden. Dies kann z.B. durch die Steuer¬einheit SE erfolgen, indem z.B. der Strom lLbuCk durch die Spule, z.B. an der Drossel ZX erfasstwird.

[0046] In Serie zu dem Leuchtmittel ist über einen weiteren Widerstand RVled ein dritter Mess-Widerstand RvLEDShunt angeschlossen, an dem' eine Mess-Spannung VLEd von der SteuereinheitSE erfasst werden kann.

[0047] Zurück an dem ersten Schalter LS ist an dessen potentialniedrigere Seite zwischen demersten Schalter LS und dem zweiten Mess-Widerstand Rshunt über einen weiteren Widerstandein zweiter Schalter FS verschaltet, über den ein Filter 1. Ordnung (Tiefpass) zu- oder abge¬schaltet werden kann.

[0048] Der erste Schalter wird dabei über eine Treiberschaltung LSonver mit einer Treiber Span¬nung Vgate angesteuert, während der zweite Schalter FS über eine Treiberschaltung mit derSpannung Vduty angesteuert wird. Die jeweilige Ansteuerung kann auch durch eine Steuerschal¬tung SE erfolgen.

[0049] Das Tiefpassfilter dient nun dazu, den an dem zweiten Mess-Widerstand RShunt erfasstenSchalter-Strom Ls zeitlich zu mittein. Die Erfindung sieht nämlich zur Messung des LED-StromsIled als Istwert folgendes vor: [0050] Der Schalter-Strom lLS durch den ersten Schalter LS wird bei eingeschalteten erstenSchaltern LS an dem zweiten Mess-Widerstand RShunt erfasst. Dieser Strom steigt während derEinschaltzeitphase des ersten Schalters LS im Wesentlichen linear an und fällt beim Öffnen desSchalters LS auf null ab. Der Strom durch die Spule Lbuck zeigt also einen zickzackförmigenzeitlichen Verlauf: bei eingeschaltetem ersten Schalter zeigt der Strom eine ansteigende Flan¬ke, bei ausgeschaltetem ersten Schalter ergibt sich eine abfallende Flanke. Während der Frei¬laufphase ist der Schalter-Strom lLS daher Null, bevor er beim erneuten Einschalten des erstenSchalters LS wieder ansteigt.

[0051] Vorzugsweise wird der Schalter LS ausgeschaltet, wenn eine Abschaltschwelle (abge¬legt beispielsweise in der Steuereinheit SE) erreicht ist. Dieser Schalter-Stromverlauf lLS wirdnunmehr gemittelt, indem er der Tiefpassschaltung zugeführt wird. Somit wird der sich im zeitli¬chen Mittel einstellende Schalter-Strom lLS erfasst.

[0052] Der hochfrequente, näherungsweise zickzackförmigen Verlauf des LED-Stroms Led (imAusführungsbeispiel fällt der LED-Strom Led durch die Spule Lbuck auf Null ab, bevor wiedereingeschaltet wird, was einem Betrieb im sog. „Borderline Mode" entspricht) kann kombiniertwerden mit einer im Verhältnis dazu niederfrequenteren PWM-Ansteuerung (LF PWM, low-frequent PWM).

[0053] Eine große Schwankungsbreite des Stroms (Welligkeit oder Rippel) kann sich nämlichbei LEDs nachteilig auswirken, da mit Veränderung der Stromamplitude sich das Spektrum desemittierten Lichts verändern kann. Um das emittierte Lichtspektrum während des Betriebsmöglichst konstant zu halten, ist es bekannt, bei LEDs für Helligkeitsregelungen nicht dieStromamplitude zu variieren, sondern alternativ oder zusätzlich ein Pulsmodulationsverfahren,beispielsweise das PWM (Pulse- Width Modulation)-Verfahren, anzuwenden.

[0054] Dabei werden den LEDs durch die Betriebsschaltung niederfrequente (typischerweisemit einer Frequenz im Bereich von 100-1000 Hz) Pulspakete mit (im zeitlichen Mittel) konstanterStromamplitude zugeführt. Dem Strom innerhalb eines Pulspakets ist der oben angeführtehochfrequente Rippel überlagert. Die Helligkeit der LEDs kann nun durch die Frequenz derPulspakete gesteuert werden; die LEDs können beispielsweise gedimmt werden, indem derzeitliche Abstand zwischen den Pulspaketen vergrößert wird. Es wird somit also die hochfre¬quente Taktung des ersten Schalters LS mit einem PWM- Signal kombiniert, wobei die Fre¬quenz des PWM-Signals im Verhältnis zur Frequenz der hochfrequenten Taktung des erstenSchalters (LS) niederfrequent ist. Es ergibt sich dadurch eine hochfrequente Taktung des erstenSchalters LS, welche von längeren Pausen ohne Taktung unterbrochen wird, wobei diese län¬geren Pausen die Ausschaltphase des niederfrequenten PWM- Signals sind. Vorzugsweisesind die Frequenz der hochfrequenten Taktung und des niederfrequenten PWM-Signals aufei¬nander abgestimmt, um Flackereffekte zu vermeiden. Beispielsweise kann die Frequenz derhochfrequenten Taktung ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des niederfrequenten PWM-Signals sein. Aus Gründen der Farbkonstanz soll innerhalb eines Pulspakets die Amplitude desRippels möglichst gering sein. Dabei kann der Schalter in einem hochfrequenten PWM-Modusbetrieben werden. In diesem Fall wird bei fix vorgegebener Frequenz das Einschaltverhältnis fürdie hochfrequente Taktung des ersten Schalters abhängig vom Mittelwert des ermittelten LED-Stromes oder Schalterstromes eingestellt. Eine Aufrechterhaltung des Stromes durch die LEDkann durch die Parallelschaltung eines Kondensators CLed erfolgen, wie dies später noch erläu¬tert wird. Alternativ kann die Einstellung des Stromes durch die LED durch geeignete Wahl desEinschaltzeitpunkts und Ausschaltzeitpunkts erfolgen. So können diese Zeitpunkte beispiels¬weise so gewählt werden, dass der erste Schalter LS eingeschaltet wird, wenn der Strom einenbestimmten minimalen Referenzwert unterschreitet und der Schalter ausgeschaltet wird, wennder Strom einen maximalen Referenzwert überschreitet (Abschaltschwellwert). Der minimaleReferenzwert kann auch Null sein.

[0055] Daher ist vorgesehen, dass der Strompfad zwischen dem zweiten Mess-WiderstandRshunt in Serie zu dem ersten Schalter LS, dem Konverter-Schalter, hin zu dem Tiefpassfilter nurwährend der Einschaltzeitdauer des Niederfrequenten PWM-Signals freigegeben ist. Währendder Ausschaltzeitdauer des Niederfrequenten PWM- Signals wird der Strompfad unterbrochen,so dass das sich einstellende tiefpassgefilterte (gemittelte) Signal gehalten wird und somit aucheine Auswertung des Mittelwertes in der Ausschaltzeitdauer des niederfrequenten PWM-Signalsdurch die Steuereinheit erfolgen kann.

[0056] Der LED-Strom ILed wird dann letztendlich gemäß der Erfindung ermittelt durch Inbe¬zugsetzen (bspw. Dividieren oder anderes Korrelieren) der durch den Konverter übertragenenLeistung durch die LED-Spannung. Die übertragene Leistung wird dabei berechnet durch dieam ersten Mess-Widerstand ermittelte Versorgungsspannung Vbus, die multipliziert wird mit demzeitlich gemittelten Schalter-Strom lLs- Dies kann z.B. wiederum durch die Steuereinheit SEerfolgen. Die LED-Spannung wird an dem dritten Mess-Widerstand RVi_EDShunt ermittelt, der inSerie zu der LED-Strecke LED geschaltet ist. Die LED-Spannung ergibt sich dabei aus derDifferenz zwischen der Versorgungsspannung Vbus und der am dritten Mess-Widerstand ermit¬telten Mess-Spannung VLED.

[0057] Somit wird indirekt der LED-Strom lLED durch Berechnung der übertragenen Leistungund der indirekten Ermittlung der LED- Spannung ermittelt. Die Ermittlungen und/oder die Be¬rechnungen erfolgen dabei vorzugsweise durch die Steuereinheit SE.

[0058] Der berechnete LED-Strom kann somit als Istwertgröße für eine Regelung des LED-Stroms verwendet werden. Als Steuergröße für die Regelung kann einerseits die Einschaltzeit¬dauer Ton des ersten Schalters LS des (Buck-)Konverters verwendet werden. Alternativ oderzusätzlich kann das Tastverhältnis der niederfrequenten PWM-Ansteuerung, falls vorhanden,verwendet werden.

[0059] Ist die Steuergröße die Einschaltzeitdauer Ton des Konverters, kann die Abschaltschwel¬le für den ersten Schalter LS in der Steuereinheit abhängig von dem Mittelwert des Schalter-Stroms lLs verschoben werden.

[0060] Der Steuereinheit werden vorzugsweise also ein Signal, das die VersorgungsspannungVbus wiedergibt, ein Signal, das den zeitlichen Mittelwert des Schalter-Stroms lLs wiedergibt (inden Einschaltzeitdauern der niederfrequenten PWM-Modulation, falls vorhanden), und/oder einSignal, das die Versorgungsspannung Vbus minus die am dritten Mess-Widerstand RVLEDShuntermittelte Spannung VLEd wiedergibt, zugeführt.

[0061] Auch neben der Ansteuerung des ersten Schalters LS kann die Steuereinheit im Übrigenauch selektiv den Tiefpassfilter über Ansteuerung des zweiten Schalters FS freigeben (z.B.während der Einschaltzeitdauer des PWM-Signals) bzw. abtrennen (z.B. während der Aus¬schaltzeitdauer des PWM-Signals), d.h. des Pfads zwischen dem zweiten Mess-WiderstandRshum dem ersten Schalter LS und dem Tiefpassfilter.

[0062] Der Kondensator CLED parallel zur LED-Strecke LED ist als solcher bekannt und dientdazu, zu vermeiden, dass der LED- Strom identisch den Verlauf durch die Spule LbuCk nachvoll¬zieht. Bei nichtleitfähig-geschalteten ersten Schalter LS, insbesondere während der Phase derEntmagnetisierung der Spule LBuCk kann der Strom durch die LED aufgrund der in dem Konden¬sator CLEd zwischengespeicherten Energie aufrecht erhalten werden. Bekanntlich ist es hin¬sichtlich des Spektrums der LED-Strecke LED nachteilig, wenn der LED-Strom derartig großeHübe ausführt (außer bei einer reinen PWM-Ansteuerung zwischen 0 und 1).

[0063] Das niederfrequente PWM-Signal muss nicht von der Steuereinheit selbst erzeugt wer¬den, vielmehr kann es von außerhalb zugeführt werden und kann dann natürlich auch demFreigabe/Abtrennelement, dem zweiten Schalter FS, für den Tiefpassfilter zugeführt werden.

[0064] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Freigabe-/Abtrennfenster für dasVerbindungselement, der zweite Schalter FS, zwischen Tiefpassfilter und dem zweiten Mess-Widerstand Rshunt von einem PWM-Einschaltimpuls dahingehend abweichen, dass das „Abtren¬ nen" erst erfolgt, wenn ein Nulldurchgang bzw. das Abfallen des Stroms durch die Spule LbuCkauf null erfasst wird. Dies kann über die Drossel ZX, z.B. über einen Pin an der Drossel, durchdie Steuereinheit SE erfolgen. Somit wird sichergestellt, dass das Mittelungsfenster für dieTiefpassschaltung immer vollständige dreieckförmige Verläufe des Spulenstroms abdeckt.

[0065] Es ist auch zu bemerken, dass die Spule LbuCk auch zwischen dem zweiten KondensatorCled und der LED-Strecke LED angeordnet sein kann.

[0066] Fig. 2 zeigt exemplarisch den Strom lLS durch den ersten Schalter LS, den gemitteltenStrom lLs, der durch den Tiefpassfilter ermittelt wird, den Stromverlauf lLbuCk an der Spule LbuCkund ein niederfrequentes PWM-Signal LF PWM.

[0067] Mit Blick auf die Fig. 3 wird nunmehr ein eine Weiterbildung der Erfindung mit ihremRegelprinzip erläutert: [0068] Über einen Spannungsteiler R11, R12 wird die auf der Anode der LED-Strecke, exemp¬larisch als LED D10 dargestellt, anliegende Busspannung VBus' gemessen. Um die Spannungan der LED D10 messen zu können, ist gemäß der Erfindung eine Filterschaltung vorzugsweisezweiter Ordnung vorgesehen mit zwei Kondensatoren C21, C22 und zwei Widerständen R21,R22.

Die LED-Spannung wird nun ermittelt als die Differenz zwischen der gemessenen BusspannungVßus' und der über die Filterschaltung C21, C22, R21, R22 erfassten Spannung Vx.

[0069] Weiterhin wird der Strom durch den getakteten Schalters S1, hier des Buck-Konverters,gemessen bzw. abgetastet. Als weitere Größe ist die Taktung die Schaltung des Buck-Konverters bekannt.

[0070] Aus diesen Messgrößen (Schalterstrom und LED-Spannung) lässt sich nunmehr derLED-Strom ILed' bestimmen, der den eigentlich zu regelnden Wert darstellt. Der zu regelndeLED-Strom ILEd' wird nicht direkt gemessen, sondern indirekt aus diesen Größen ermittelt.

[0071] Für die Regelung wird also der zeitlich gemittelte Strom über den Konverterschalter S1,die gefilterte Katoden-Spannung Vx der LED-Strecke D10 sowie die über den WiderstandsteilerR11, R12 erfasste Anoden-Spannung VBus' von einer Steuereinheit SE' erfasst.

[0072] Aus diesen Messwerten ermittelt die Steuereinheit SE' den LED- Strom ILed '-In einemAuswertungsmodul M werden die drei Messwerte erfasst und der LED-Strom ILed' wird miteinem Sollwert lSoii verglichen, wobei der ermittelte Istwert des LED- Stroms ILEd ' zuvor nocheiner spezifischen Kalibrierung durch ein Kalibrierungsmodul KM unterzogen wird. Die Kalibrie¬rung kompensiert eine Abweichung des LED-Stroms Led' (bzw. des Lichtstroms) von dem ge¬messenen Schalterstrom und beseitigt somit einen systematischen Messfehler der indirektenMessung.

[0073] Der durch die Kalibrierung kompensierte Istwert lLED_cai des LED- Stroms wird dann mitdem Sollwert lSoii für den LED-Strom verglichen. Als Steuergröße „Steuer" wird dann zur Rege¬lung des LED-Stroms mittels einer Ansteuerschaltung bzw. basierend auf einem Ansteueralgo¬rithmus ALG eine hochfrequente Taktung des Schalters bspw. eine PWM-Modulation verwen¬det. Hier kann z.B. auf Basis einer Nachschlagetabelle (Look-Up-Table) und/oder als von derStellgröße abhängige Funktion eine PWM- Modulation des Schalters S1 eingestellt werden.Zum Dimmen wird diese hochfrequente PWM-Modulation des Schalters S1 noch durch einniederfrequentes zweites PWM Signal moduliert/überlagert.

[0074] Die Ausgangssignale des ADCs (Analog-Digital-Wandler) werden also einer Steuerein¬heit SE' zugeführt, die aus diesen drei Eingangsgrößen den Istwert für den LED-Strom Ledermittelt. Der ADC kann in der Steuereinheit SE' integriert sein oder separat davon vorgesehensein.

[0075] Der Istwert (alternativ auch der Sollwert) wird einem KalibrierungskompensationsmodulKM zur Kompensation systematischer Messfehler zugeführt. Diese Kalibrierung kann vor Inbe¬triebnahme der Schaltung durchgeführt werden, insbesondere fertigungsseitig.

[0076] Der (kompensierte) Istwert I led _cai wird verglichen mit einem Sollwert Isoii für den LED-Strom Led'· Die sich ergebende Regeldifferenz wird einem Regelalgorithmus ALG unterzogen,der dann einen Steuerwert zur Ansteuerung eines Schalters S1 des Konverters ermittelt undden Schalter S1 entsprechend ansteuert.

[0077] Wenn ein Dimmen zusätzlich zur Regelung des LED-Stroms Led' ausgeführt werdensoll, erfolgt dies, wie gesagt, dadurch, dass die hochfrequente PWM-Modulation zur Ansteue¬rung des Konverterschalters S1 noch mit einer niederfrequenten PWM- Modulation überlagertist.

[0078] Die Steuerschaltung SE' kann dabei zumindest teilweise als integrierte Schaltung (IC,ASIC) und/oder als Mikrocontroller (pC) ausgestaltet sein. Insbesondere der .Regelalgorithmuskann durch eine integrierte Schaltung und/oder einen Mikrocontroller ausgeführt werden.

[0079] Soll z.B. eine Farbtemperatur, insbesondere durch eine Mehrkanal-BetriebsschaltungBM eingestellt werden, das z.B. einen warmen und einen kalten Weisslicht-Kanal aufweist, soerlaubt die Erfindung ein Einstellen der Farbtemperatur mit lediglich einer geringen Abweichung(ca. +/-1%) über den gesamten Dimmbereich von 100% bis ca 0.5% Dimmen.

[0080] Es werden daher vorzugsweise drei oder mehr Messungen auf einer Dimmkurve durch¬geführt, um einen Kompensationswert (correction offset, kos) zu bestimmen. Dies erfolgt insbe¬sondere durch eine Interpolation zwischen den Messpunkten.

[0081] Ein rein digitales Dimmen, wie es die Erfindung erlaubt, ist insofern vorteilhaft, als dasseine Farbverschiebung während des Dimmens vermieden wird. Das Abtastschema des ADCkann daher entsprechend angepasst werden. Insbesondere kann ein sehr kurzer Arbeitszyklus(duty cycle) gewählt werden.

[0082] Ein Filter erster Ordnung, bestehend aus dem Widerstand R21 und der Kapazität C21wird dabei verwendet, um die gefilterte Kathoden-Spannung Vx zu messen (welche einer Diffe¬renz aus der Busspannung VBus' und der LED-Spannung VLed entspricht (VBus'- VLed ') ) [0083] Um das Einschaltzeitdauer-/Ausschaltzeitdauer-Verhältnis des Schalters S1 (FET,MOSFET) zu bestimmen, wird an einem Messwiderstand (Shunt) RShUnt der Strom während derEinschaltzeitdauer des Schalters S1 gemessen. Bei Kenntnis des Verhältnisses kann der Ge¬samtstrom bestimmt werden als lied' IShunt * VBuS' / VLED' [0084] Ein Filter zweiter Ordnung R22, C22 stellt eine Dämpfung bereit, die ausreicht, um diebenötigte Genauigkeit zu erreichen, so dass ein hochfrequenter Rippel der gefilterten Katho¬den-Spannung Vx der LED-Strecke D10 eine Mittelung/Mittel-/Durchschnittswertbildung derKathoden-Spannung Vx nicht beeinflusst. Hierbei beeinflusst die Ausgestaltung des Filterszweiter Ordnung R22, C22 jedoch die Einschwingzeit nicht signifikant. Insbesondere beträgt dieEinschwingzeit ca. 20 ps oder weniger, um ein gültiges Signal bereits während des erstenAbtastens zu erzeugen.

[0085] Die beschriebene Kompensation und Kalibrierung erlaubt es zudem, die hohen Ansprü¬che an die Genauigkeit zu erfüllen.

[0086] Bei kurzen Einschaltdauern des Schalters S1 und bei geringem Dimmpegel wird somitdie Messung der Spannung VLED durch den Filter zweiter Ordnung verbessert. Das Abtast¬schema des ADCs sichert ein richtiges Messen bei sehr kurzen PWM-Arbeitszyklen. Um einrichtiges Messen von Led' und VLEd zu ermöglichen, wird die minimale Einschaltzeitdauer. (t-on)bspw. auf einem Dimmpegel von ca. 2% begrenzt. Unter diesem Schwellenwert wird die Aus-schaltzeitdauer (t-off) erhöht um den zum digitalen Dimmen benötigten Arbeitszyklus zu erzeu¬gen.

[0087] Fig. 4 zeigt eine detailliertere exemplarische Ansicht der Betriebsschaltung BM. Hier istgezeigt, dass die an dem ADC zugeführten elektrischen Parameter nach einer Analog-Digital-Wandlung gefiltert werden, z.B. durch 11 R-Tiefpassfilter. Dadurch werden elektrische Parame- ter erzeugt, die dem an dem Schalter S1 erfassten gemittelten Strom lavg entsprechen, dergefilterten Kathoden-Spannung Vx, sowie der Anoden-Spannung VBus ' [0088] Die an der LED-Strecke D10 anliegende Spannung VLEd' wird durch Differenzbildungbestimmt, welche wiederum zur Bestimmung des Stroms ILed ' durch die LED-Strecke D10verwendet wird. Insbesondere ergibt sich der Strom ILed' durch die LED-Strecke D10 aus einemProdukt der Anoden-Spannung VBus' und des gemittelten Stroms lavg/ der durch die bestimmtean der LED-Strecke D10 anliegende Spannung VLEd' geteilt wird.

[0089] Zudem wird zur Bestimmung des Stroms Led' durch die LED-Strecke D10 der LeckstromLeak mit einbezogen, der mit dem Leck-Widerstand FLeak korreliert. Hier wird auch der Dimm-pegel miteinbezogen. Anschließend erfolgt die Kalibrierung des Stroms Led ' durch die LED-Strecke D10 anhand der Kalibrierungsparameter, z.B. koS, kGaim und kGain2, abhängig vomDimmpegel (Dimmlevel).

[0090] Im gezeigten Beispiel erfolgt die Kalibrierung wie folgt: - Bei einem Dimmpegel von größer 50% bestimmt sich der kalibrierte Strom lLED_cai als:

- Sonst bestimmt sich der kalibrierte Strom lLED_cai nach:

Der kalibrierte Strom lLED_cai wird dann mit dem Sollwert für den Strom durch die LED-Streckeverglichen, um die hochfrequente PWM-Taktung des Schalters S1, bspw. durch PWM-Modulation,insbesondere auch abhängig von einem niederfrequenten PWM- Signal, das denDimmpegel vorgibt, einzustellen.

[0091] Fig. 5 zeigt schematisch Zusammenhänge zwischen den Kalibrierungsparametern kos,kGaini und kGain2 und dem Dimmpegel sowie verschiedenen Stromwerten le5 und le95.

Claims (21)

1. Ansprüche 1. Betriebsschaltung zur Versorgung wenigstens einer LED-Strecke (D10) mit wenigstenseiner LED, wobei - der Betriebsschaltung an wenigstens einem eingangsseitigen Anschluss eine elektrischeVersorgung zuführbar ist, und die Betriebsschaltung wenigstens einen durch eine Steu¬ereinheit (SE') getakteten ersten Schalter (S1) eines Konverters, vorzugsweise einesBuck-Konverters, aufweist, ausgehend von dem die wenigstens eine LED-Strecke (D10)elektrisch versorgbar ist, wobei - die Steuereinheit (SE') dazu eingerichtet ist, an einem ersten Spanungsteiler (R11, R12)der Betriebsschaltung einen die Anoden-Spannung (VBus') der wenigstens einen LED-Strecke wiedergebenden ersten elektrischen Parameter zu ermitteln, und mittels einerFilterschaltung (R22, C22) der Betriebsschaltung einen die Kathoden-Spannung (Vx)wiedergebenden zweiten elektrischen Parameter zu ermitteln.
2. 2. Betriebsschaltung, bei der die Filterschaltung ein vorzugsweise analoges Tiefpassfilter,vorzugsweise zweiter oder höherer Ordnung, oder ein Bandpassfilter ist.
3. 3. Betriebsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der - die Steuereinheit (SE') dazu eingerichtet ist, einen den Strom durch den Schalter (S1)widergebenden dritten elektrischen Parameter direkt oder indirekt an einem Mess-Widerstand (Rshunt) der Betriebsschaltung zu ermitteln, wobei - die Steuereinheit (SE') weiter dazu eingerichtet ist, die Spannung an der wenigstens ei¬nen LED-Strecke (VLED') aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Parameter und,unter Verwendung des dritten elektrischen Parameters, den Strom (ILed') durch die we¬nigstens eine LED-Strecke (D10) als Istwert zu bestimmen, den Istwert mit einem Soll¬wert (I soil) zu vergleichen und abhängig von dem Vergleich eine Taktung des Schalters(S1) bspw. durch PWM-Modulation zu verändern.
4. 4. Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit(SE') dazu eingerichtet ist, die Spannung (VLEd') an der wenigstens einen LED-Strecke(D10) als Differenz aus der Anoden-Spannung (VBus') und der Kathoden-Spannung (Vx) derLED-Strecke (D10) zu bestimmen, bzw. aus einer Differenz/Summe des ersten und deszweiten elektrischen Parameters.
5. 5. Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit(SE') dazu eingerichtet ist, den LED-Strom (Led') zu bestimmen aus dem Produkt der Ano-den-Spannung (VBus') bzw. des ersten elektrischen Parameters und des Stroms durch denSchalter (S1) bzw. des dritten elektrischen Parameters dividiert durch die Spannung (VLED')an der wenigstens einen LED-Strecke oder einen diese wiedergebenden elektrischen Pa¬rameter.
6. 6. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (SE') dazueingerichtet ist, den Strom durch den Schalter (S1) zu mittein.
7. 7. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Strom (Led') durch dieLED-Strecke (D10) der Steuereinheit (SE') als Rückführsignal, zugeführt wird, und wobeidie Steuereinheit (SE') dazu eingerichtet ist, die Einschaltzeitdauer des Schalters (S1) zusteuern.
8. 8. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Mittelung des Stromsdurch den Schalter (S1) durch einen Tiefpassfilter erfolgt, der den zeitlichen Mittelwert desStroms erfasst.
9. 9. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das den Schalter (S1) an¬steuernde erste PWM-Signal mit einem zweiten PWM-Signal kombiniert wird, wobei daszweite PWM-Signal im Verhältnis zur Frequenz ersten PWM-Signals niederfrequent ist.
10. 10. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (SE') einTastverhältnis des ersten PWM-Siqnals steuert.
11. 11. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (SE') dazueingerichtet ist, den ermittelten Istwert des Stroms durch die LED-Strecke (D10) vor einemVergleich mit dem Sollwert (lSon) zu kalibrieren.
12. 12. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Kalibrierung die Abwei¬chung des Stroms durch die wenigstens eine LED-Strecke, bzw. des Lichtstroms, von demgemessenen Strom durch den Schalter (S1) kompensiert und Messfehler der indirektenMessung beseitigt.
13. 13. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (SE') dazueingerichtet ist, den durch die Kalibrierung kompensierten Istwert mit dem Sollwert für denStrom durch die LED-Strecke (D10) zu verglichen und als Steuergröße zur Regelung desStroms durch die LED-Strecke (10) die hochfrequente Taktung des Schalters (S1) bzw.das erste PWM-Signal zu verändern.
14. 14. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Betriebsschaltung anwenigstens einem eingangsseitigen Anschluss eine, insbesondere veränderliche, elektri¬sche Versorgung und/oder ein Dimmsignal zuführbar ist.
15. 15. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (SE') dazueingerichtet ist, alternativ oder zusätzlich zu dem Istwert den Sollwert zu kalibrieren, undwobei die Kalibrierung vorzugsweise vor Inbetriebnahme der Betriebsschaltung erfolgt,insbesondere fertigungsseitig.
16. 16. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (SE') dazueingerichtet ist, auf der sich aus dem Vergleich von Istwert und Sollwert für den Stromdurch die wenigstens eine LED-Strecke ergebenden Regeldifferenz einem Regelalgorith¬mus durchzuführen, dem ein Stellwert zur Ansteuerung des Schalters (S1) des Konverterszugeführt wird und davon abhängig das erste PWM-Signal zu verändern.
17. 17. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei mit jedem LED-Kanal wenigs¬tens eine Weisslicht-LED verbindbar ist.
18. 18. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche,-wobei die Betriebsschaltung anjedem LED-Kanal wenigstens eine Weisslicht-LED betreibt, und wobei die Weisslicht-LEDsverschiedener LED-Kanäle verschiedene Farbtemperaturen aufweisen, wobei jeder LED-Kanal durch einen Konverter versorgt ist.
19. 19. Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, die Steuereinheit (SE') dazu einge¬richtet ist, den getakteten Schalter (S1) des jeweiligen Konverters abhängig von einemSteuersignal einzustellen, um eine Farbtemperatur einzustellen, die zwischen den Farb¬temperaturen der verschiedenen LED-Kanäle liegt und die durch das Steuersignal vorge¬geben ist.
20. 20. Leuchte mit einer LED-Strecke mit wenigstens einer LED und einer Betriebsschaltung nacheinem der vorigen Ansprüche.
21. 21. Verfahren zum Betreiben wenigstens eines LED-Kanals zur Versorgung jeweils wenigstenseiner LED-Strecke mit wenigstens einer LED, wobei, - der Betriebsschaltung an wenigstens einem eingangsseitigen Anschluss eine Versor¬gungsspannung zuführbar ist, und der Betriebsschaltung wenigstens einen durch eineSteuereinheit (SE') getakteten ersten Schalter (S1) eines Konverters, vorzugsweise ei¬nes Buck-Konverters, aufweist, ausgehend von dem wenigstens eine der LED-Streckenelektrisch versorgbar ist, wobei - die Steuereinheit (SE') an einem ersten Spanungsteiler (R11, R12) der Betriebsschal¬tung einen die Anoden-Spannung (Vbus') der wenigstens einen LED-Strecke wiederge¬benden ersten elektrischen Parameter ermittelt, und mittels einer Filterschaltung (R22,C22) der Betriebsschaltung einen die Kathoden-Spannung (Vx) wiedergebenden zwei¬ten elektrischen Parameter ermittelt. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen