AT15534U1 - Betriebsschaltung für LEDs - Google Patents

Abstract

Es wird vorgeschlagen ein Verfahren zum Betreiben einer LED-Strecke ausgehend von einem von einer Steuereinheit (80) gesteuerten Schaltregler (81) zum Erzeugen eines Stroms für die LED-Strecke, wobei der Schaltregler (81) für einen konstanten Betrieb der LED-Strecke mit vorzugsweise konstantem Strom ausgestaltet ist, wobei zum Dimmen der LED-Strecke der Schaltregler (81) eingangsseitig mit einem derartigen Strom versorgt wird, dass die Funktionalität des Schaltreglers (81) ausgeschaltet wird.

Description

Beschreibung

BETRIEBSSCHALTUNG FÜR LEDS

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung und auf ein Verfahren zum Betrieb von Leuchtmitteln, insbesondere Leuchtdioden (LEDs) mittels beispielsweise Schaltreglern zur Bereitstellung eines Betriebsstroms bzw. einer Betriebsspannung für die LEDs. Die Erfindung betrifft insbesondere Schaltungen bzw. Konverter-Module, die einen dimmbare Betrieb von LEDs ermöglichen, welche durch einen Phasendimmer (Triac) dimmbar sind. Triacs werden nach wie vor weithin als Infrastruktur zum Dimmen von Glühlampen verwendet.

[0002] Grundsätzlich ist es bereits bekannt, Schaltregler wie beispielsweise Abwärtswandler zur Ansteuerung einer die LEDs aufweisenden LED-Strecke zu verwenden. Dabei steuert eine Steuereinheit einen getakteten Halbleiter- Leistungsschalter an, mittels dem in dessen eingeschalteten Zustand eine Spule magnetisiert wird. Die in der Spule aufgebaute Energie entlädt sich im ausgeschalteten Zustand des Schalters über die LED- Strecke.

[0003] Typischerweise werden solche Abwärtswandler derart betrieben, dass der der LED-Strecke zur Verfügung gestellte Strom auf einen konstanten Wert geregelt wird.

[0004] Ein Dimmen der LED-Strecke ist somit nicht erzielbar.

[0005] Daher liegt ein Ziel der Erfindung darin, eine Schaltung bereitzustellen, die ein Dimmen einer LED-Strecke ermöglicht, insbesondere im Fall einer LED-Strecke die durch z.B. einen Abwärtswandler betrieben wird, wie z.B. im Fall einer LED-Retrofitlampe.

[0006] Dieses Problem wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Aspekte der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen behandelt.

[0007] Unter einem ersten Aspekt schlägt die Erfindung vor ein Verfahren zum Betreiben einer LED-Strecke ausgehend von einem von einer Steuereinheit gesteuerten Schaltregler zum Erzeugen eines Stroms für die LED-Strecke. Der Schaltregler ist für einen konstanten Betrieb der LED- Strecke mit vorzugsweise konstantem Strom ausgestaltet.

[0008] Zum Dimmen der LED-Strecke wird der Schaltregler eingangsseitig mit einem derartigen Strom versorgt, dass die Funktionalität des Schaltreglers ausgeschaltet wird.

[0009] Vorzugsweise wird zum Dimmen der LED-Strecke der Versorgungsstrom für den Schaltregler solange verringert, bis dieser Versorgungsstrom nicht mehr ausreicht, den Schaltregler derart zu betreiben, dass der Strom für die LED-Strecke konstant bleibt.

[0010] Vorzugsweise ist der Schaltregler derart für einen konstanten Betrieb der LED-Strecke ausgestaltet, dass der Strom durch die LED-Strecke konstant gehalten wird, solange der Schaltregler an seinem Eingang genügend Strom erhält.

[0011] Unter einem weiteren Aspekt schlägt die Erfindung vor eine Schaltung zum Betreiben einer LED-Strecke, aufweisend einen von einer Steuereinheit gesteuerten Schaltregler für einen konstanten Betrieb der LED-Strecke mit vorzugsweise konstantem Strom. Die Schaltung umfasst einen Konverter zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms für den Schaltregler. Zum Dimmen der LED-Strecke versorgt der Konverter den Schaltregler (81) mit einem derartigen Versorgungsstrom, dass die Funktionalität des Schaltreglers ausgeschaltet wird.

[0012] Vorzugsweise wird zum Dimmen der LED-Strecke der vom Konverter zur Verfügung gestellte Versorgungsstrom solange verringert, bis dieser Versorgungsstrom nicht mehr ausreicht, den Schaltregler derart zu betreiben, dass der Strom für die LED-Strecke konstant bleibt.

[0013] Vorzugsweise ist der Schaltregler derart für einen konstanten Betrieb der LED-Strecke ausgestaltet, dass der Strom durch die LED-Strecke konstant gehalten wird, solange der Schaltregler an seinem Eingang genügend Strom, insbesondere oberhalb eines Schwellwerts, erhält.

[0014] Wenn die Funktionalität des Schaltreglers ausgeschaltet ist, wird die LED-Strecke vor- zugsweise dadurch gedimmt, dass der Konverter den Versorgungsstrom entsprechend ändert bzw. reduziert.

[0015] Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, einen konstanten Betrieb mit vorzugsweise einem konstantem Strom der LED-Strecke zu gewährleisten.

[0016] Vorzugsweise weist der Schaltregler eine als Energiespeicher dienende Spule und einen Schalter zum Auf- und Entmagnetisieren der Spule auf. Die Funktionalität des Schaltreglers wird derart ausgeschaltet, dass der Schalter die Spule nicht mehr auf- und entmagnetisiert.

[0017] Vorzugsweise ist der Schaltregler als Abwärtswandler ausgestaltet.

[0018] Vorzugsweise weist die Schaltung eine Spannungslimitierungs-Schaltung auf zur Begrenzung der für den Schaltregler bereitgestellten Versorgungsspannung.

[0019] Vorzugsweise sorgt die Spannungslimitierungs-Schaltung bei zu hoher Versorgungsspannung dafür, dass eine elektrische Kenngröße des Konverters reduziert wird oder dass eine Messung einer elektrischen Kenngröße des Konverters verfälscht wird.

[0020] Vorzugsweise ist der Konverter in Form eines Sperrwandlers ausgestaltet. Vorzugsweise ist die elektrische Kenngröße des Konverters der Strom durch die Primärwicklung des Konverters.

[0021] Vorzugsweise umfasst die Spannungslimitierungs-Schaltung eine Zener-Diode, die am Ausgang des Konverters angeordnet ist.

[0022] Vorzugsweise umfasst die Spannungslimitierungs-Schaltung in Serie zur Zener-Diode einen optischen Sender eines Optokopplers. Bei leitender Zener-Diode sorgt der optische Empfänger des Optokopplers dafür, dass eine Messung einer elektrischen Kenngröße des Konverters verfälscht wird.

[0023] Vorzugsweise sind der Schaltregler und die LED-Strecke in einer LED-Retrofitlampe angeordnet.

[0024] Die Erfindung kann insbesondere Anwendung finden auf dem Gebiet der sog. Retrofit-LED-Lampen, die als Ersatz z.B. von Glühlampen oder Halogenlampen zum Einsatz kommen.

[0025] Retrofit-Lampen weisen dementsprechend Verbindungs-Sockel auf, mit denen sie in bekannte Lampenfassungen eingebracht, z.B. eingeschraubt oder eingesteckt, werden können.

[0026] Diese Aspekte beziehen sich sowohl auf ein erfindungsgemäßes Verfahren als auch auf eine erfindungsgemäße Schaltung.

[0027] Die Erfindung sieht vor, dass mittels eines Konverters bzw. einer Ansteuerschaltung zum Dimmen in einen Konstantstrommodus geschaltet wird, und dabei genauer gesagt die Stromversorgung für den Abwärtswandler solange verringert wird, bis das Produkt aus der 12 Volt Versorgung und dem bereitgestellten Strom nicht mehr ausreicht, den Abwärtswandler derart zu betreiben, dass die LED-Strecke konstant weiter versorgt wird. Wenn er also unterhalb eines vorgegebenen Stromschwellenwerts betrieben wird, wird der Betrieb des Abwärtswandler unterbrochen und der Schalter des Abwärtswandler ist durchgehend leitend geschaltet. Sobald durch diese Maßnahme, d.h. insbesondere durch starke Verringerung der Stromversorgung, die Funktionalität des Buck-Konverters ausgeschaltet ist, verhält sich die LED-Strecke so, wie wenn sie im Wesentlichen direkt, d.h. ohne Abwärtswandler, an den 12 Volt Klemmen des Konverters angeschlossen wäre. Durch entsprechende Veränderung der Strombereitstellung kann die LED-Strecke dann gedimmt werden.

[0028] Das Erfindung liegt also darin, dass LED-Retrofitlampen, die für einen konstanten Betrieb der LED-Strecke einen Abwärtswandler aufweisen, eingangsseitig mit einem derartigen Strom versorgt werden, der die Funktionalität des Buck-Konverters ausschaltet, dass sich die angeschlossene MR16 Lampe so verhält, wie wenn die LED- Strecke direkt an den Klemmen betrieben werden würde.

[0029] Weitere Aspekte der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Diese zeigen insbesondere in: [0030] Fig. 1 einen beispielhaften Dimmertreiber auf der Grundlage einer PFC Steuerung mit fester Ausgangsleistung; [0031] Fig. 2 eine beispielhafte Eingangsstromwellenform; [0032] Fig. 3 einen beispielhaften Leistungsfaktor korrigierten Abwärtswandler; [0033] Fig. 4 ein bestehendes PFC Modell; [0034] Fig. 5 zeigt einen beispielhaften Treiber mit fester Ausgangsleistung mit PFC; [0035] Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Schaltung, [0036] Fig. 7 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Abschnitts der in Fig. 6 gezeigten Schal tung, [0037] Fig. 8 zeigt eine Betriebsschaltung für LEDs z.B. für eine LED-Retrofitlampe.

[0038] Einstufige Sperrtreiber-Steuereinheiten (IC) mit fester Ausgangsleistung mit eingebauter Leistungsfaktorkorrektur sind bekannt, es zeigt sich allerdings, dass diese Art von Steuereinheit für eine einfache und elegante Dimmerlösung mit sehr guter Leistung eingesetzt werden kann, wie nachstehend beschrieben.

[0039] Die Erfindung ist insbesondere darauf ausgerichtet, ein glattes und flackerfreies Dimmen vorzusehen, das in Verbindung mit den meisten Dimmern erzielt werden kann, wobei die Menge an Teilen und Materiallisten verringert werden kann, und das gleichzeitig mit unterschiedlichen IC funktionieren kann. Außerdem muss kein Hochspannungs- Elektrolytkondensator vorliegen.

[0040] Hierzu kann die in dem Konverter-Modul zur Steuerung der mindestens einen LED vorliegende Schaltung eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) Funktion vorsehen, z.B. eine „echte" PFC Schaltung, einen Sperrwandler mit PFC Funktion etc. Insbesondere nutzt die Erfindung den hohen Leistungsfaktor einer PFC Schaltung. Wenn ein Sperrwandler eingesetzt wird, spiegelt der Strom/die Spannung auf der Sekundärseite des Sperrwandlers, der die mindestens eine LED antreibt, das über Phasenanschnitt oder Phasenabschnitt am Eingang der Primärseite des Konverters durchgeführte Dimmen wider.

[0041] Dabei besteht das Problem, dass die PFC Schaltung bisweilen nicht genügend Strom aufnimmt, den der zum Phasenanschnitts- oder Phasenabschnittsdimmen eingesetzte (Triac) Dimmer als Haltestrom benötigt. Es sind Bleed-Schaltungen bekannt, um dieses Symptom zu beheben und den erforderlichen Haltestrom durch deren Leistungsverlust sicherzustellen. Normalerweise sind diese Bleed- Schaltungen als Leiterbahnen ausgebildet, die wahlweise betätigt oder unterbrochen werden können.

[0042] Das Problem kann dadurch gelöst werden, dass nur passive Bauteile zur Herstellung der Bleed-Schaltungen verwendet werden, und insbesondere ein Ohmscher Widerstand R10 sowie ein Kondensator C10, wie in der in Fig. 1 dargestellten, beispielhaften LED Betätigungsvorrichtungsschaltung gezeigt.

[0043] Weiterhin sind zwei zusätzliche Ohmsche Widerstände R1, R9 an die Eingangsleitungen der Schaltung angeschlossen, die als stromführender/Phasendraht und Null-Leitung in Fig. 1 bezeichnet sind, was zur Dämpfung des Klingeins von Vorteil ist, das am Eingang der Schaltung durch eine Wechselwirkung des Phasenregelungs-/Triac Dimmers mit induktiver Kennung und einer PFC Schaltung mit kapazitivem Schalter erzeugt wird.

[0044] Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit zusätzlichen passiven Bauteilen zum Dämpfen eines Klingeins R1, R9 der Funkentstörungsdrossel (RFI) des Dimmers mit Schaltkapazität. Dies sorgt wiederum für gleichmäßiges, flackerfreies Dimmen. Somit zeigt die Fig. 1 eine Schaltung für ein Konverter-Modul mit einer PFC Steuerung mit fester Ausgangsleistung. Die Schaltung mit PFC Funktion wird durch die Verwendung einer in die Steuereinheit integrierten Schaltung, z.B. den Sperrwandlertreiber, mit einem integrierten Schalter realisiert.

[0045] Die in Fig. 1 eingekreisten Bauteile stellen die Zusatzbauteile zum Dämpfen des Klingeins R1, R9 sowie zur Herstellung des passiven Bleeding R10, C10 dar. Die Schaltung zeigt jedoch eine sehr geringe Komplexität des Konverters selbst unter Verwendung der neuesten Steuereinheiten mit fester Ausgangsleistung.

[0046] Weiterhin ist eine Hilfswicklung vorgesehen, welche induktiv mit dem Konverter gekoppelt ist und in welcher Strom/Spannung in Abhängigkeit der Netzspannung der LED Betätigungsvorrichtung erzeugt wird. Diese erzeugte Spannung wird der Steuereinheit als negative(r) Strom/Spannung zugeführt. Die erzeugte Spannung zeigt außerdem den Strom/die Spannung durch einen Nebenschlusswiderstand an, der in Reihe mit einem in die Steuereinheit eingebauten Schalter geschaltet ist. Die Abschaltschwelle wird von der Steuereinheit adaptiv geändert, d.h. je nach aktuellem Zustand der Netzspannung, wodurch sich die PFC Funktion ergibt.

[0047] Zur Vereinfachung von Dimmerbetätigungen in Abhängigkeit eines voreilenden Phasenwinkels der Netzspannung wird ein Rückkopplungssignal von einer Erfassungseinrichtung, beispielsweise einer Hilfswicklung AUX des Konverters, an die Steuereinheit rückgekoppelt. Insbesondere wird der Strom durch die Erfassungseinrichtung gemessen, um den Strom im Konverter zu bestimmen, vorzugsweise den Strom durch die Primärseite eines Sperrwandlers. Hierdurch bestimmt die Steuereinheit direkt oder indirekt den Strom/die Spannung beispielsweise durch die Primärseite des Sperrwandlers. Diese(r) bestimmte Strom/Spannung stellt das an die Steuereinheit rückgekoppelte Signal dar. Die Steuereinheit kann ein IC, AS IC oder ein Mikrocontroller sein.

[0048] Wenn der Konverter beispielsweise als Sperrwandler ausgeführt ist, kann die Schaltung des Konverter-Moduls einen Energiespeicher (Kondensator) auf der Sekundärseite des Konverters vorsehen, wobei der Sperrwandler eine induktive Trennung zwischen auf dessen Primärseite angeordneten Bauteilen und auf dessen Sekundärseite angeordneten Bauteilen vorsieht. Die Hilfswicklung wie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt kann sich auch auf der Sekundärseite befinden.

[0049] Ein Sperrwandler mit konstanter Einschaltzeit (Ton) könnte die PFC Funktion auch ohne eine dem Treiber-IC von der Hilfswicklung zugeführte Rückkopplung verwirklichen.

[0050] Allerdings wäre der Leistungsfaktor nicht so gut. Ein Beispiel für eine verwendete Steuereinheit stellt die HVLED805 von ST Microelectronics dar.

[0051] Eine einstufige, Leistungsfaktor korrigierte Steuereinheit kann außerdem einen kleinen Gleichstromsammelschienen-Kondensator im Bereich von ca. 100nF aufweisen. Daher empfängt ein Sperrwandler als dessen Eingang nicht geglättete, gleichgerichtete Netz-Halbzyklen, die bis auf OV abfallen können.

[0052] Die Anwendung einer derartigen integrierten Treiberschaltung (IC) ermöglicht eine ausgezeichnete Dimmleistung mit den meisten, so genannten leading oder trailing edge (ansteigenden oder abfallenden) Dimmern. Die Schaltung passt normalerweise auf eine einseitige Leiterplatte und, da das Verfahren mit nahezu jeder festen PFC Steuerung funktioniert, können die Ausführungen einfach an Anwendungen angepasst werden, welche die neuesten, kostengünstigen IC verwenden.

[0053] Während in Fig. 1 eine mögliche Ausgangswelligkeit nur durch einen Ausgangskondensator gesteuert wird, lässt der einfache Aufbau der Schaltkreise auch Raum für einen großen Kondensator, mit welchem die Welligkeit unter 40% bis 60%, insbesondere 50%, gehalten werden kann.

[0054] Als Steuerfaktor erzeugt die Steuereinheit Strom/Spannung, der/die zur Änderung des Stroms des Sperrwandlers auf dessen primärer Eingangsseite verwendet wird. Insbesondere hängt eine Dimmbetätigung bzw. ein Dimmbetrieb von dem Phasenanschnitt ab, wenn der Spitzenstrom, nämlich der Strom an der Sperrwandlerabschaltung geändert wird, und der Spitzenstrom wird so gesteuert, dass er prinzipiell proportional zur Amplitude der momentan vorliegenden Eingangsspannung ist.

[0055] Folglich könnte je nach Phasenanschnitt eine Stromkennlinie erzeugt werden, wie sie beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist.

[0056] Es ist festzustellen, dass die Konverter-Modulschaltung auch mit anderen Konvertern eingesetzt werden kann, wie z.B. Abwärtswandler-Strukturen. Außerdem kann die Steuereinheit eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) aufweisen, dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Eine Verbesserung des Leistungsfaktors der Konverter- Modulschaltung ist jedoch wünschenswert und daher wird nachfolgend ein Verfahren zur Anbringung einer Leistungsfaktorkorrektur in jeder beliebigen Steuereinheit beschrieben, insbesondere für Steuereinheiten mit einem externen Spitzenstrom-Messwiderstand.

[0057] Insbesondere, wenn eine Steuereinheit nur mit Quelleneingang verwendet wird (z.B. NXP SSL21083, die gegenüber beispielsweise der HVLED815 nur einen Quelleneingang aufweist), um einen Strom/eine Spannung an dem Nebenschlusswiderstand zu bestimmen, kann ein anderer Ansatz verwendet werden. In Fig. 3 wird eine derartige Steuereinheit in einem Aufbau mit einem Abwärtswandler dargestellt.

[0058] An den Quelleneingang der in Fig. 3 dargestellten Steuereinheit ist eine relativ niedrige Impedanz von z.B. ca. 1 bis 5 Ω, vorzugsweise 2,7 Ω, angeschlossen. Falls an diesem Eingang ein relativ hoher negativer Strom/negative Spannung von der Erfassungseinrichtung erfasst würde, wäre der Leistungsverlust unangemessen hoch.

[0059] Somit wird der Leistungsverlust dadurch begrenzt, dass die Spannung an der Erfassungseinrichtung deutlich verringert wird. Dies erreicht man, indem die Windungen beispielsweise der Hilfswicklung auf nur ein paar Windungen, beispielsweise 1 bis 5 Windungen, insbesondere ca. zwei Windungen, verringert werden. In der Folge kann der Strom/die Spannung an der Erfassungseinrichtung verringert werden und auch bei einer geringeren Impedanz kann der Leistungsverlust reduziert werden.

[0060] Im Einzelnen enthält die Steuereinheit ein Steuersystem, das zur Messung einer Spitzendrosselstroms in der Zeit, wenn der Hauptschalter eingeschaltet ist, einen Strommesswiderstand aufweist.

[0061] In einer Vorrichtung ohne PFC wird der Schalter im Allgemeinen abgeschaltet, wenn der Spannungsabfall an dem Spannungsmesswiderstand einen vorgegebenen Wert erreicht. Der durch die Drossel fließende Spitzenstrom stellt eine bekannte Energiemenge dar, und dies bildet in Verbindung mit einer bekannten Schaltfrequenz die Grundlage für die Steuerung der Leistungsabgabe oder die Stromsteuerung.

[0062] Der einem derartigen Modell zugeordnete Leistungsfaktor ist tendenziell schlecht, auch wenn ein Massenspeicherkondensator klein ist. Dies liegt daran, dass die Einschaltzeit relativ lang sein kann, wenn die Netzspannung niedrig ist (während der Netzstromwerte). Der Grund hierfür ist, dass der Induktorstrom länger braucht, um den erforderlichen Spitzenwert zu erreichen. Folglich ist der durchschnittliche Eingangsstrom während dieser Zeiten hoch und während der Netzspannungsspitzen niedrig. Dies ist genau umgekehrt zu der für einen hohen Leistungsfaktor benötigten Stromwellenform.

[0063] Um dies zu korrigieren, kann die Erfassungseinrichtung zu der Drossel hinzugefügt werden. Damit soll ein negativer Strom/eine negative Spannung bereitgestellt werden, während der Hauptschalter eingeschaltet ist. Diese(r) Strom/Spannung wird dann an den CS Eingang des Stromfühlers der Steuereinheit über einen zweiten Widerstand angelegt. In Fig. 3 ist ein Beispiel dargestellt, in dem das Verfahren auf einen kostengünstigen Abwärtswandler angewandt worden ist. Somit zeigt Fig. 3 einen Leistungsfaktor korrigierten Abwärtswandler.

[0064] Der von der Hilfswicklung bereitgestellte, negative Strom/die negative Spannung variiert in Abhängigkeit von der momentanen Netzspannung. Wenn der Hauptschalter eingeschaltet ist, fließt ein Strom durch den Widerstand R3 und aufgrund des sich ändernden, negativen Stroms/der negativen Spannung, wird der Strom/die Spannung erhöht, wenn der Eingangs-strom/die Eingangsspannung seine/ihre Spitze erreicht hat, und wird in Netzspannungstälern stark reduziert. Die Ströme durch den Widerstand R3 leiten den Strom weg von dem Messwiderstand R4 und erhöhen somit den endgültigen Spitzenstrom um einen Betrag, der von der Eingangsspannung zu diesem Zeitpunkt abhängt. Die Folge ist ein Eingangsstrom, der ist über den Großteil jedes Halbzyklus der Netzspannung weitgehend konstant ist und somit einen stark verbesserten Leistungsfaktor liefert.

[0065] Wiederum ist die resultierende typische Stromwellenform in Fig. 2 dargestellt, in diesem Fall eine typische Eingangsstromwellenform mit Leistungsfaktorkorrektur.

[0066] Bestehende Anwendungen erfordern jedoch, dass der Strommesseingang der Steuereinheit von dem den tatsächlichen Strom tragenden Anschluss getrennt ist, wie in Fig. 4 dargestellt, welche ein typisches Beispiel für ein bestehendes PFC Modell darstellt.

[0067] In Fig. 1 ist der Messwiderstand R5 nicht direkt mit dem CS Eingang der Strommessung der Steuereinheit verbunden. Stattdessen ist der Drahtwiderstand R7 angeschlossen. Damit wird die Impedanz ausreichend erhöht, so dass das Verfahren unter Verwendung der normalen Hilfswicklung arbeiten kann, die in einem typischen Sperrwandler vorliegt.

[0068] Durch das Vorsehen einer separaten Wicklung, wie in Fig. 3 dargestellt, mit einer kleinen Anzahl an Windungen kann das Verfahren so verallgemeinert werden, dass es mit jedem beliebigen Treiber IC funktioniert, der einen externen Strommesswiderstand aufweist.

[0069] Diese Lösung ist besonders geeignet für Anwendungen mit Abwärtswandlern, da die Windungen der Hilfswicklung einfach um einen normalen Trommelinduktor gewickelt werden können. Zusammenfassend zeigt der in Fig. 3 dargestellte Aufbau ein sehr kostengünstiges und in großem Umfang anwendbares Verfahren zur Leistungsfaktorkorrektur, das Leistungsfaktoren von 80% bis 90%, insbesondere ca. 85%, liefert, sowie eine Gesamt-Oberschwingungsverzerrung (Total Harmonie Distortion THD) von ca. 25-45%, insbesondere 30% bis 40%. Dieser Aufbau kann auch problemlos an Steuereinheiten angepasst werden und kann ebenfalls mit dem Aufbau aus Fig. 1 kombiniert werden.

[0070] Ein weiteres Beispiel für eine erfinderische Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt, welche ein Schaltbild für ein abgewandeltes PFC Modell zeigt. Während eine Leistungsfaktorkorrektur auf mehrere Arten erzielt werden kann, besteht ein gemeinsames Verfahren darin, der Spitzenstromerfassungsschaltung der Steuereinheit einen Beitrag von einer Erfassungseinrichtung über einen externen Widerstand zuzuführen, wie vorstehend aufgezeigt.

[0071] Während der Schalttransistor des Konverters eingeschaltet ist, ist der Ausgang aus der Erfassungseinrichtung negativ und proportional zu der Netzeingangsspannung zu diesem Zeitpunkt. Die Zufuhr von der Erfassungseinrichtung bewirkt, dass der durch die Primärwicklung erreichte Spitzenstrom um einen Betrag proportional zu der momentanen Netzspannung erhöht wird. Der Beitrag zu dem Spitzenstrom dominiert tatsächlich mit der Folge, dass der von dem Konverter aufgenommene Strom annähernd sinusförmig wird und einen hohen Leistungsfaktor liefert.

[0072] Zusammenfassend wird die Verdrahtung zur Steuereinheit verändert, um Veränderungen oder Schwankungen in der Netzspannung auszugleichen, die zu Veränderungen der von der mindestens einen LED emittierten Lichtausgabe führen.

[0073] Aus diesem Grund wird in dem Rückkopplungsweg von der Erfassungseinrichtung an dem Konverter zur Steuereinheit eine in Fig. 5 dargestellte Zener Diode vorgesehen, um den zur Steuereinheit rückgekoppelten, negativen Strom/die negative Spannung auf einen maximalen und/oder vorgegebenen Wert zu klemmen. Über diesem Wert bleibt die Spannung abgeklemmt und somit konstant und Änderungen oder Schwankungen außerhalb des Klemmbereichs bleiben unberücksichtigt. Anstatt einer Zener Diode kann das Klemmen auch durch eingebaute Einrichtungen der Steuereinheit und/oder der Software der Steuereinheit vereinfacht werden.

[0074] Dies verbessert die Regelungseigenschaften in Bezug auf Stabilität des Ausgangs-stroms/der Ausgangsspannung des Konverters, wobei ein leichter Abfall des Leistungsfaktors wie nachstehend beschrieben in Betracht gezogen wird.

[0075] Ein Nachteil des beschriebenen Verfahrens kann darin gesehen werden, dass der Konverterausgang von der Netzstromspannung abhängig wird. Die Ausgangsregelung ist in Bezug auf die Schwankungen der Eingangsspannung schlecht. Dies kann jedoch durch eine Regelung mit nur minimaler Verschlechterung des Leistungsfaktors wie nachstehend dargelegt verbessert werden.

[0076] Wie in Fig. 5 dargestellt wurde der ursprüngliche PFC durch den Widerstand R8 erzielt, der direkt zwischen der Hilfswicklung und dem Strommesseingang der Steuereinheit und der Hochspannungsseite des Widerstands R7 angeschlossen wurde. Fig. 5 zeigt nun einige zusätzliche Bauteile in dem dargestellten Kästchen. Insbesondere klemmt eine Nebenschlussreferenz U2 der Steuereinheit (z.B. 2,5 V) die Spannung auf der Niederspannungsseite des Widerstandes R8 auf eine maximale Größe einer negativen Spannung, z.B. 1 bis 5 V, insbesondere 2,5 V negativ. Diese Spannung wird dann an den Strommesseingang des Treiber-ICs über den Widerstand R27 angelegt.

[0077] Die Leistungsfaktorkorrektur liegt noch vor, aber der Höchstbetrag ist durch die beanspruchte Spannung begrenzt. Somit können Erhöhungen der Netzspannung den maximalen Spitzenstrom nicht weiter erhöhen.

[0078] In Zusammenhang mit den Figs. 6 bis 8 wird ein weiterer Schaltungsaufbau gezeigt, der sich insbesondere zum Betrieb von LED-Retrofitlampen eignet.

[0079] Fig. 6 zeigt einen geänderten Schaltungsaufbau eines Konverters 60 für LEDs. Dieser Schaltungsaufbau basiert auf den oben beschriebenen Varianten. Gezeigt ist ein Konverter in Form eines Sperrwandlers bzw. Flyback- Konverters. Fig. 7 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Abschnitts des in Fig. 6 gezeigten Konverters.

[0080] Fig. 8 zeigt einen typischen Aufbau einer Betriebsschaltung 82 für LEDs und insbesondere einer LED- Retrofitlampe des Typs MR16. Solche LED-Retrofitlampen werden typischerweise über eine 12 Volt Versorgung betrieben und weisen einen Verbindungs-Sockel (nicht dargestellt) auf, der in eine entsprechende Fassung für Halogen MR16 Lampen eingebracht werden kann.

[0081] Eine derartige LED-Retrofitlampen umfasst typischerweise eine eingangsseitige Brückenschaltung NT bestehend aus vier Dioden zum Gleichrichten einer Wechselspannung wie z.B. einer Netzspannung. Ein Kondensator CT ist der Brückenschaltung NT nachgeschaltet. Die Schaltung gemäß Fig. 8 umfasst weiterhin einen Schaltregler, in dem die Stromversorgung der LED-Strecke mittels mindestens eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters QT und mindestens eines Energiespeichers gewährleistet wird.

[0082] In der Ausführungsform der Fig. 8 ist der Schaltregler als Abwärtswandler 81 bzw. Buck-Konverter ausgestaltet, wobei alternativ der Schaltregler auch z.B. als Aufwärtswandler bzw. Boost-Konverter ausgestaltet sein könnte. Die gleichgerichtete Spannung liegt an einer Serienschaltung an, die aus der LED-Strecke, dem Energiespeicher in Form einer Spule LT und dem Schalter QT vorzugsweise in Form eines Halbleiter-Leistungsschalters wie z.B. eines MOS-FETs besteht.

[0083] Die LED-Strecke umfasst drei in Serie geschaltete LEDs. Alternativ können die LEDs auch parallel oder gemäß einer Seriell- und Parallelanordnung geschaltet sein. Die LEDs können OLEDs sein. Weiterhin kann es sich bspw. um monochromatische LEDs, Farbstoffkonvertierte weiße LEDs und/oder um RGB-LED-Module handeln. Einer Freilaufdiode DT ist parallel zur LED-Strecke und Spule LT angeordnet. In parallel zur LED-Strecke ist ein Kondensator C2' geschaltet.

[0084] Im eingeschalteten Zustand des Schalters QT fließt ein Strom durch die LED-Strecke und die Spule LT. Während dieser Einschaltphase steigt somit der Strom durch die Spule LT. Während einer darauffolgenden Freilaufphase d.h. im ausgeschalteten Zustand des Schalters QT entlädt sich die in der Spule LT gespeicherte Energie in Form eines Stroms durch die LED-

Strecke.

[0085] Es ist eine Steuerschaltung 80 vorgesehen, die den Schalter Q1' hochfrequent steuert bzw. die als Stellgrösse der Regelung der LED-Leistung bzw. des LED-Stroms die Taktung des Schalters Q1' vorgibt. Die Steuerschaltung 80 kann als Steuer- und/oder Regelschaltung ausgestaltet sein, insbesondere um den Strom durch die LED-Strecke konstant zu halten.

[0086] Zum Durchführen der Strom-Regelung kann z.B. zwischen dem Schalter Q1' und Masse ein Messwiderstand vorgesehen sein zum Ermitteln des Stroms durch die Spule LT. Alternativ oder zusätzlich dazu kann z.B. im Freilaufpfad bestehend aus der Diode DT, der LED-Strecke und der Spule LT eine weitere Messvorrichtung, wie z.B. ein Messwiderstand, vorgesehen sein zum Messen des Stroms durch die Spule LT.

[0087] Solange der Abwärtswandler 81 an seinem Eingang genügend Strom erhält, hält er den Strom durch die LED-Strecke konstant. Entsprechend kann kein Dimmen erfolgen.

[0088] Daher sieht die Erfindung vor, dass mittels des Konverters 60 die LED-Strecke gedimm-te werden kann. Hierzu ist die Betriebsschaltung 82 am Ausgang A des Konverters 60 angeschlossen. Am Ausgang A wird eine 12 Volt Versorgung für die Schaltung 82 bereitgestellt.

[0089] Der in Figs. 6, 7 dargestellte Sperrwandler basiert auf einer Induktivität in Form einer Primärwicklung L3, die in Serie zu einem Schalter 71 geschaltet ist. Der Schalter 71 wird vorzugsweise entsprechend den oben Ausführungen von der Steuereinheit 70 gesteuert. Im Ausführungsbeispiel der Figs. 6, 7 ist der Schalter 71 Teil der Steuereinheit 70. Alternativ kann der Schalter 71 auch außerhalb der Steuereinheit 70 angeordnet sein.

[0090] Die Primärwicklung L3 ist am Anschluss D der Steuereinheit 70 angeschlossen. In Serie zur Primärwicklung L3 und zum Schalter 71 ist ein Messwiderstand R11 vorgesehen. Vorzugsweise ist der Messwiderstand R11 zwischen dem Schalter 71 und Masse angeordnet. Der Anschluss bzw. Stromerfassungs-Anschluss CS (current sense) der Steuereinheit 70 dient entsprechend zur Rückführung eines Signals, das den Strom durch den Konverter 60 d.h. den Strom durch die Primärwicklung L3 bzw. durch den Schalter 71 wiedergibt. Ein Widerstand ist entsprechend zwischen dem Anschluss CS und dem Mittelpunkt zwischen dem Schalter 71 und dem Messwiderstand R11 vorgesehen.

[0091] Der Sperrwandler bzw. der Schalter 71 kann dann derart betrieben werden, dass auf einen gewünschten primärseitigen Strom geregelt wird. Der Sperrwandler kann entsprechend den obigen Ausführungsbeispielen von der Steuereinheit 71 betrieben werden.

[0092] Die Steuereinheit 70 ist bspw. ein LED-Treiber HV LED 815 von ST Microelectronics als Steuer IC, der als dimmbarer Treiber für LED-Retrofit-Lampen ausgelegt ist.

[0093] Wie bereits erläutert, wird von der Steuereinheit 80 zusammen mit dem Abwärtswandler 81 versucht, den Strom durch die LED-Strecke konstant zu halten, so dass kein Dimmen erfolgen kann.

[0094] Daher sieht die Erfindung vor, dass der Konverter 60 zum Dimmen in einen Konstantstrom-Modus geschaltet wird. Dabei wird genauer gesagt die Stromversorgung für den Abwärtswandler 81 solange verringert, bis das Produkt aus der 12 Volt Versorgung und dem bereitgestellten Strom nicht mehr ausreicht, den Abwärtswandler 81 derart zu betreiben, dass die LED-Strecke konstant weiter versorgt wird.

[0095] Wenn der Abwärtswandler 81 also unterhalb eines vorgegebenen Stromschwellenwerts betrieben wird, wird der Betrieb des Abwärtswandlers 81 unterbrochen und der Schalter QT des Abwärtswandler 81 ist durchgehend leitend geschaltet, er ist durchgehend durchgeschaltet.

[0096] Sobald durch diese Maßnahme (starke Verringerung der Stromversorgung) die Funktionalität des Abwärtswandlers 81 ausgeschaltet ist, verhält sich die LED-Strecke so, wie wenn sie im Wesentlichen direkt, d.h. ohne Abwärtswandler 81, an den 12 Volt Klemmen A angeschlossen wäre. Durch entsprechende Veränderung der Strombereitstellung kann die LED-Strecke gedimmt werden.

[0097] Im Konverter 60 bzw. in der Versorgungsschaltung der Fig. 6 ist eine Spannungslimitie-rungs-Schaltung 61 dargestellt. Die Spannungslimitierungs-Schaltung 61 ist vorzugsweise für die Sekundärseite des Konverters 60 vorgesehen, da andererseits bei Verringerung der Strombereitstellung für die Last die sekundärseitige Spannung, insbesondere die sekundärseitige Spannung am Ausgang A, ansteigen würde.

[0098] Die Spannungslimitierungs-Schaltung 61 umfasst eine zwischen den Klemmen des Ausgangs A angeschlossene Reihenschaltung aus einer Zener-Diode Z3, einem Widerstand R29 und einem optischen Sender 62 eines Optokopplers. Der optische Empfänger 63 des Optokopplers ist zwischen einem Versorgungsanschluss VCC der Steuereinheit 70 und dem Stromerfassungs-Anschluss CS angeschlossen.

[0099] Wenn nicht gedimmt wird, d.h. wenn der Dimmer auf die maximale Helligkeit eingestellt ist, ist der Ausgangsstrom des Konverters 60 mehr als ausreichend, um die LED-Strecke zu betreiben. Somit wird die Ausgangsspannung am Ausgang A beginnen sich zu erhöhen, bis die Zener-Diode Z3 leitend wird. Sobald die Zener-Diode Z3 leitend wird, wird der optische Sender 62 des Optokopplers aktiviert. Dies hat zur Folge, dass der optische Empfänger 63 des Optokopplers den Versorgungsanschluss VCC mit dem Stromerfassungs- Anschluss CS verbindet.

[00100] Dadurch steigt die Spannung am Stromerfassungs-Anschluss CS. Dies wird von der Steuereinheit 70 derart interpretiert, als wäre der Strom durch den Schalter 71 und durch die Primärwicklung zu hoch. Die Steuereinheit 70 reagiert entsprechend und reduziert den Strom durch die Primärwicklung durch geeignete Steuerung des Schalters 71. Letztendlich führt diese Rückkopplung durch die Spannungslimitierungs-Schaltung 61 dazu, dass die Ausgangsspannung am Ausgang Ä bei ungefähr 12 V begrenzt werden kann. Hierzu kann z.B. die Zener-Diode eine Zenerspannung von 11 V aufweisen.

[00101] Diese Rückkopplung ist insofern vorteilhaft, als der Konverter bzw. IC weiterhin normal betrieben wird, in dem eine hohe Leistungsfaktorkorrektur beibehalten werden kann. Auch das Verhalten des Triac Dimmers bleibt stabil. Die erfindungsgemäße Lösung ist zudem eine preiswerte Möglichkeit zum Dimmen z.B. einer LED-Retrofitlampe. Als Konverter kann ein Sperrwandler vorgesehen sein, aber auch alternative Topologien sind einsetzbar.

Claims (10)

1. Ansprüche

   1. Verfahren zum Betreiben einer LED-Strecke ausgehend von einem von einer Steuereinheit (80) gesteuerten Schaltregler (81) zum Erzeugen eines Stroms für die LED- Strecke, wobei der Schaltregler (81) für einen konstanten Betrieb der LED-Strecke mit vorzugsweise konstantem Strom ausgestaltet ist, wobei zum Dimmen der LED-Strecke der Schaltregler (81) eingangsseitig mit einem derartigen Strom versorgt wird, dass die Funktionalität des Schaltreglers (81) ausgeschaltet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Dimmen der LED-Strecke der Versorgungsstrom für den Schaltregler (81) solange verringert wird, bis dieser Versorgungsstrom nicht mehr ausreicht, den Schaltregler (81) derart zu betreiben, dass der Strom für die LED- Strecke konstant bleibt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schaltregler (81) derart für einen konstanten Betrieb der LED-Strecke ausgestaltet ist, dass der Strom durch die LED-Strecke konstant gehalten wird, solange der Schaltregler (81) an seinem Eingang genügend Strom erhält.
4. 4. Schaltung zum Betreiben einer LED-Strecke, aufweisend: - einen von einer Steuereinheit (80) gesteuerten Schaltregler (81) für einen konstanten Betrieb der LED- Strecke mit vorzugsweise konstantem Strom, - einen Konverter (60) zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms für den Schaltregler (81), wobei zum Dimmen der LED-Strecke der Konverter (60) den Schaltregler (81) mit einem derartigen Versorgungsstrom versorgt, dass die Funktionalität des Schaltreglers (81) ausgeschaltet wird.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, wobei zum Dimmen der LED-Strecke der vom Konverter (60) zur Verfügung gestellte Versorgungsstrom solange verringert wird, bis dieser Versorgungsstrom nicht mehr ausreicht, den Schaltregler (81) derart zu betreiben, dass der Strom für die LED-Strecke konstant bleibt.
6. 6. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei der Schaltregler (81) derart für einen konstanten Betrieb der LED-Strecke ausgestaltet ist, dass der Strom durch die LED-Strecke konstant gehalten wird, solange der Schaltregler (81) an seinem Eingang genügend Strom, insbesondere oberhalb eines Schwellwerts, erhält.
7. 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei wenn die Funktionalität des Schaltreglers (81) ausgeschaltet, die LED-Strecke dadurch gedimmt wird, dass der Konverter (60) den Versorgungsstrom entsprechend ändert.
8. 8. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Steuereinheit (80) dazu ausgelegt ist, einen konstanten Betrieb mit vorzugsweise einem konstantem Strom der LED-Strecke zu gewährleisten.
9. 9. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Schaltregler (81) eine als Energiespeicher dienende Spule (L1') und einen Schalter (Q1') zum Auf- und Entmagnetisieren der Spule (L1') aufweist, wobei die Funktionalität des Schaltreglers (81) derart ausgeschaltet wird, dass der Schalter (Q1') die Spule (L1') nicht mehr auf- und entmagnetisiert.
10. 10. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der Schaltregler (81) als Abwärtswandler ausgestaltet ist.