AT15822U1

AT15822U1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmittels

Info

Publication number: AT15822U1
Application number: ATGM9017/2014U
Authority: AT
Inventors: Schönberger John
Original assignee: Tridonic Gmbh & Co Kg
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2018-07-15
Also published as: DE102013215966A1; WO2014172733A1

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtmittels (3) umfasst einen Eingang und einen Wandler mit Leistungsfaktorkorrektur. Der Wandler weist eine Induktivität (21), ein steuerbares Schaltmittel (23), das mit der Induktivität (21) in Reihe geschaltet ist, und einen Regler (13, 30) auf. Der Regler (13, 30) umfasst ein PI-Glied. Der Regler (13, 30) ist eingerichtet, um eine Phasenverschiebung für eine Signalkomponente eines Eingangssignals des Reglers (13, 30) zu erzeugen, deren Frequenz doppelt so groß wie eine Frequenz einer Eingangsspannung ist.

Description

Beschreibung

SCHALTUNGSANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES LEUCHTMITTELS [0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmittels. Die Erfindung betrifft insbesondere Schaltungsanordnungen, die einen Wandler umfassen, der so betrieben wird, dass er eine Leistungsfaktorkorrektur bereitstellt.

[0002] Mit zunehmender Verbreitung von Leuchtmitteln wie LEDs und LED-Modulen gewinnen Schaltungsanordnungen zum Betreiben derartiger Leuchtmittel weiter an Bedeutung. Eine Leistungsfaktorkorrektur wird bei Betriebsgeräten für derartige Leuchtmittel verwendet, um die unerwünschte Erzeugung von Oberwellenströmen im Versorgungsnetz zu verringern. Der Leistungsfaktor ist ein Maß für Oberwellenströme, die von der Betriebsschaltung erzeugt werden.

[0003] Abhängig von der jeweiligen Anwendung der Betriebsschaltung können unterschiedliche Lösungen für die Leistungsfaktorkorrektur (PFC, „Power Factor Conversion“) gewählt werden. Beispielsweise kann eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung als Eingangsstufe zwischen einem Gleichrichter und einem Transformator vorgesehen sein. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung kann beispielsweise nach dem Prinzip eines Aufwärtswandlers arbeiten.

[0004] Es können auch so genannte einstufige PFC-Wandler eingesetzt werden, die zusätzlich zu einer Transformation auch die Leistungsfaktorkorrektur durchführen. Ein Beispiel für einen einstufigen PFC-Wandler ist ein einstufiger PFC- Sperrwandler. Derartige Schaltungsanordnungen können insbesondere bei Anwendungen eingesetzt werden, die keine besonders großen Leistungen erfordern.

[0005] Bei Betriebsschaltungen mit Spannungsregelung können Spannungsrippei an der Ausgangsseite, die mit der doppelten Netzfrequenz oszillieren, die Leistungsfaktorkorrektur negativ beeinflussen. Beispielsweise kann der Versuch, Spannungsrippei an der Ausgangsseite auszuregeln, bei herkömmlichen Regelkreisen dazu führen, dass Oberwellenströme nicht in dem gewünschten Maß reduziert werden. Ein Ansatz zur Lösung dieser Probleme kann darin bestehen, die Spannungsrippei an der Ausgangsseite zu unterdrücken. Dazu kann ein Ausgangskondensator mit großer Kapazität auf der Ausgangsseite vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Regler mit kleiner Bandbreite verwendet werden. Derartige Lösungsansätze können jedoch verschiedene Nachteile mit sich bringen. Beispielsweise kann die Verwendung eines Kondensators mit großer Kapazität als Ausgangskondensator wegen der Größe des Bauteils und/oder wegen möglicher Kostennachteile unerwünscht sein.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren anzugeben, bei denen eine gute Leistungsfaktorkorrektur erreicht werden kann, ohne dass Spannungsrippei an der Ausgangsseite eines Wandlers durch einen Ausgangskondensator mit großer Kapazität unterdrückt werden müssen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Vorrichtungen und Verfahren anzugeben, die bei PFC-Wandlern mit Spannungsregelung verwendet werden können.

[0007] Es werden eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtmittels und ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen der Erfindung.

[0008] Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung wird bei einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtmittels ein Regler verwendet, der ein PI (proportional-integral)-Glied umfasst und der eingerichtet ist, um einer Signalkomponente eines Eingangssignals des Reglers, die mit dem Doppelten einer Versorgungsspannungsfrequenz oszilliert, eine zusätzliche Phasenverschiebung aufzuprägen. Es hat sich gezeigt, dass durch die Phasenverschiebung der Signalkomponente, die mit dem Doppelten einer Versorgungsspannungsfrequenz oszilliert, eine gute Leistungsfaktorkorrektur erreicht werden kann, selbst wenn diese Spannungsrippei auf der Ausgangsseite nicht stark unterdrückt werden.

[0009] Eine besonders gute Leistungskorrektur kann erreicht werden, wenn die Phasenver1 /16

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Schiebung bei der Frequenz, die gleich dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz ist, in einem Intervall um -90° liegt und/oder näherungsweise -90° ist. Dies erlaubt die Verwendung eines kleineren Ausgangskondensators und/oder eines Reglers mit größerer Bandbreite als bei herkömmlichen Regelstrategien, die nicht gezielt eine zusätzliche Phasenverschiebung einführen.

[0010] Zum Erzeugen der entsprechenden Phasenverschiebung kann der Regler so ausgestaltet sein, dass eine Übertragungsfunktion des Reglers zwei Pole bei Frequenzen aufweist, die in einer Umgebung der Frequenz liegen, die gleich dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz ist.

[0011] Eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtmittels nach einem Ausführungsbeispiel umfasst einen Eingang zum Empfangen einer Wechselspannung mit einer ersten Frequenz. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Wandler mit Leistungsfaktorkorrektur, der eine Induktivität, ein steuerbares Schaltmittel, das mit der Induktivität in Reihe geschaltet ist, und einen Regler aufweist. Der Regler weist ein Pl-Glied auf und ist eingerichtet, um eine Phasenverschiebung für eine Signalkomponente zu erzeugen, die eine zweite Frequenz aufweist, die doppelt so groß wie die erste Frequenz ist.

[0012] Das Pl-Glied weist das Verhalten eines herkömmlichen PI-Reglers auf, wird aber bei dem Regler um Komponenten zum Einführen einer zusätzlichen Phasenverschiebung ergänzt. [0013] Der Regler kann das Pl-Glied, einen ersten Pol und einen zweiten Pol umfassen.

[0014] Der erste Pol und der zweite Pol können bei einer Frequenz oder bei Frequenzen in einer Umgebung der zweiten Frequenz, d.h. nahe bei dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz, liegen. Der erste Pol und der zweite Pol können Doppelpole oder ein Pol zweiter Ordnung sein.

[0015] Die Frequenzen, bei denen die Pole liegen, können kleiner sein als eine Frequenz, mit der das steuerbare Schaltmittel getaktet geschaltet wird.

[0016] Der Regler kann eine galvanische Trennung umfassen.

[0017] Der Wandler kann eine Eingangsseite mit der Induktivität und eine davon galvanisch getrennte Ausgangsseite aufweisen. Das Pl-Glied kann auf der Ausgangsseite des Wandlers vorgesehen sein. Ein Filter, dessen Übertragungsfunktion den ersten Pol und/oder den zweiten Pol aufweist, kann auf der Eingangsseite des Wandlers vorgesehen sein.

[0018] Der Regler kann so eingerichtet ist, dass die Phasenverschiebung für die Signalkomponente, die mit dem Doppelten der Frequenz der Versorgungsspannung oszilliert, in einem Intervall um eine Phasenverschiebung von -90° liegt. Der Regler kann so eingerichtet sein, dass die Phasenverschiebung für die Signalkomponente die mit dem Doppelten der Frequenz der Versorgungsspannung oszilliert, um weniger als einen vorgegebenen Schwellenwert von -90° abweicht.

[0019] Der Regler kann so eingerichtet sein, dass die Phasenverschiebung für die Signalkomponente -90° ist.

[0020] Die Schaltungsanordnung kann eine integrierte Schaltung zum Ansteuern des steuerbaren Schaltmittels umfassen. Die integrierte Schaltung kann einen Eingang aufweisen, um ein Signal zu empfangen, das die von dem Regler phasenverschobene Signalkomponente enthält.

[0021] Die integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um das steuerbare Schaltmittel so zu steuern, dass eine Ein-Zeit und/oder eine Aus-Zeit des steuerbaren Schaltmittels von der jeweiligen Phase der phasenverschobenen Signalkomponente abhängen.

[0022] Die integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um das steuerbare Schaltmittel so zu steuern, dass eine Spannung an einem Ausgang der Schaltungsanordnung auf einen Sollwert geregelt wird. Die Regelgröße kann eine auf der Ausgangsseite des Reglers erfasst Größe sein, beispielsweise die Ausgangsspannung selbst. Die Regelgröße kann auch eine auf der Eingangsseite, d.h. einer Primärseite des Wandlers erfasste Hilfsgröße sein. Die Hilfsgröße kann

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Patentamt geregelt werden, um die Ausgangsspannung auf einen gewünschten Wert einzustellen. Die

Hilfsgröße kann beispielsweise mit einer Hilfswindung auf der Eingangsseite erfasst werden.

[0023] Der Wandler kann ein Sperrwandler sein, der über einen Gleichrichter mit dem Eingang verbunden ist.

[0024] Die Wandler kann ein PFC-Sperrwandler sein.

[0025] Die Schaltungsanordnung kann eine Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode sein. Die Schaltungsanordnung kann einen LED-Konverter bilden oder von einem LEDKonverter umfasst sein.

[0026] Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein System angegeben, das die Schaltungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel und wenigstens eine Leuchtdiode umfasst, die mit einem Ausgang des Wandlers verbunden ist. Die wenigstens eine Leuchtdiode kann wenigstens eine anorganische Leuchtdiode und/oder wenigstens eine organische Leuchtdiode umfassen. Die wenigstens eine Leuchtdiode kann über eine Konverterschaltung, die zwischen den Ausgang des Wandlers und die wenigstens eine Leuchtdiode geschaltet ist, mit dem Ausgang des Wandlers verbunden sein.

[0027] Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmittels mit einer Schaltungsanordnung angegeben, der eine Wechselspannung mit einer ersten Frequenz zugeführt wird und die einen Wandler umfasst. Zum Betreiben des Leuchtmittels wird ein steuerbares Schaltmittel, das mit einer Induktivität des Wandlers in Reihe geschaltet ist, getaktet geschaltet. Das Verfahren umfasst eine Spannungsregelung mit einem Regler, der ein Pl-Glied aufweist. Bei der Spannungsregelung erzeugt der Regler eine Phasenverschiebung für eine Signalkomponente, die eine zweite Frequenz aufweist, die doppelt so groß wie die erste Frequenz ist.

[0028] Weitere Merkmale des Verfahrens nach Ausführungsbeispielen und die damit erzielten Wirkungen entsprechen den weiteren Merkmalen der Schaltungsanordnung nach Ausführungsbeispielen.

[0029] Das Verfahren kann mit der Schaltungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel ausgeführt werden.

[0030] Die Schaltungsanordnung und das Verfahren nach Ausführungsbeispielen nutzen eine Regelstrategie, bei der der Regler gezielt eine bestimmte Phasenverschiebung zumindest für solche Signale und Signalkomponenten hervorruft, deren Frequenz das Doppelte der Versorgungsspannungsfrequenz ist. Der Regler kann zusätzlich zu dem Pl-Glied wenigstens ein Filter umfassen, das die entsprechende Phasenverschiebung für solche Signale und Signalkomponenten hervorruft, die bei dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz oszillieren. Das wenigstens eine Filter kann zwei Pole aufweisen. Die Pole können näherungsweise bei dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz liegen.

[0031] Ein derartiger Regler kann auch als „PI + PP“ oder „PIPP“-Regler bezeichnet werden, da er zusätzlich zu dem Pl-Glied zwei Pole aufweist.

[0032] Diese Regelstrategie erlaubt eine gute Leistungsfaktorkorrektur, ohne dass hierfür die Spannungsrippei, die mit dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz oszillieren, auf der Ausgangsseite durch einen Ausgangskondensator mit großer Kapazität unterdrückt und/oder bei der Spannungsregelung durch einen Regler mit kleiner Bandbreite entfernt werden müssen. Die Regel-Strategie kann insbesondere für PFC-Sperrwandler eingesetzt werden.

[0033] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert. In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische Elemente.

[0034] Figur 1 [0035] Figur 2 zeigt ein System nach einem Ausführungsbeispiel.

zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel.

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AT15 822 U1 2018-07-15 österreichisches patentamt [0036] Figur 3 [0037] Figur 4 [0038] Figur 5 [0039] Figur 6 [0040] Figur 7 [0041] Figur 8 [0042] Figur 9 [0043] Figur 10 [0044] Figur 11 ist eine Blockdiagrammdarstellung eines Reglers nach einem Ausführungsbeispiel.

ist eine Blockdiagrammdarstellung eines Reglers nach einem Ausführungsbeispiel.

zeigt Spannungsrippei eines Signals, das von dem Regler nach einem Ausführungsbeispiel erzeugt wird.

zeigt ein von dem Regler nach einem Ausführungsbeispiel erzeugtes Signal zusammen mit einem Eingangssignal des Reglers.

zeigt ein Bode-Diagramm für einen Regler einer Schaltungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel und für einen herkömmlichen Regler.

zeigt einen Eingangsstrom einer Schaltungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel.

zeigt einen Eingangsstrom einer herkömmlichen Schaltungsanordnung, bei der ein Ausgangskondensator mit größerer Kapazität als bei Figur 8 verwendet wird.

zeigt ein Schaltbild einer Implementierung eines Reglers nach einem Ausführungsbeispiel.

zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.

[0045] Figur 1 zeigt eine Darstellung eines Systems 1, das ein Betriebsgerät mit einer Schaltungsanordnung 2 zum Betreiben eines Leuchtmittels 3 umfasst. Das Leuchtmittel 3 kann wenigstens eine Leuchtdiode (LED) umfassen. Das Leuchtmittel 3 kann mehrere LEDs umfassen. Die LEDs können anorganische oder organische LEDs sein.

[0046] Die Schaltungsanordnung 2 weist einen Eingang 10 auf, an dem eine Versorgungsspannung zugeführt wird. Die Versorgungsspannung ist eine Wechselspannung, beispielsweise eine Netzspannung. Eine Frequenz der Versorgungsspannung am Eingang 10 wird hier auch als Versorgungsspannungsfrequenz oder als erste Frequenz bezeichnet. Das Doppelte der Versorgungsspannungsfrequenz wird als zweite Frequenz bezeichnet. Diese zweite Frequenz spielt für die Regelstrategie der Schaltungsanordnung 2 eine Rolle.

[0047] Die Schaltungsanordnung 2 umfasst einen Gleichrichter 11, der eine gleichgerichtet Wechselspannung an einen Wandler 12 bereitstellt. Der Wandler 12 kann als Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Wandler ausgestaltet sein, der so betrieben wird, dass er die Rücksendung von Oberwellenströmen in das Netz reduziert. Der Wandler 12 kann beispielsweise ein Sperrwandler sein. Andere Wandlertypen können verwendet werden. Ein Ausgang des Wandlers kann mit dem Leuchtmittel 3 verbunden sein. Das Leuchtmittel 3 kann mit einem Ausgangsanschluss 14 der Schaltungsanordnung 2 verbunden sein. Das Leuchtmittel 3 kann direkt mit einem Ausgangsanschluss 14 der Schaltungsanordnung 2 verbunden sein. Alternativ kann eine Konverterschaltung zwischen den Ausgangsanschluss 14 und das Leuchtmittel 3 geschaltet sein, die vorzugsweise den Strom oder die Leistung des Leuchtmittels 3 regelt. Diese Konverterschaltung kann beispielsweise durch einen Tiefsetzsteller (Buck-Konverter), Hochsetzsteller (BoostKonverter) oder eine Inverterschaltung (Buck-Boost-Konverter) gebildet werden.

[0048] Der Wandler 12 weist einen Regler 13 auf. Der Regler 13 kann ein Spannungsregler sein. Die Regelgröße des Reglers 13 kann beispielsweise die Ausgangsspannung des Wandlers 12 oder eine Hilfsgröße sein, die mit der Ausgangsspannung des Wandlers 12 zusammenhängt.

[0049] Wie unter Bezugnahme auf Figur 3 bis Figur 11 detailliert beschrieben wird, weist der Regler 13 ein PI (proportional-integral)-Glied auf. Der Regler ist so eingerichtet, dass er für ein Eingangssignal, dessen Frequenz zwei Mal die Versorgungsspannungsfrequenz ist, eine bestimmte Phasenverschiebung hervorruft. Das aus dem Eingangssignal von dem Regler erzeug4/16

AT15 822 U1 2018-07-15 österreichisches patentamt te Ausgangssignal kann beispielsweise eine Phasenverschiebung von -90° gegenüber dem

Eingangssignal aufweisen, das mit der zweiten Frequenz, also dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz, oszilliert.

[0050] Die von dem Regler 13 für ein sinusförmiges Signal in Abhängigkeit von der Frequenz des Signals hervorgerufene Phasenverschiebung kann durch den Phasengang einer Übertragungsfunktion des Reglers 13 definiert werden. Die Übertragungsfunktion kann als Quotient der in den Frequenzbereich transformierten Ausgangsgröße des Reglers 13 zur in den Frequenzbereich transformierten Eingangsgröße des Reglers 13 definiert werden. Das komplexe Argument der Übertragungsfunktion, also die Phasenverschiebung, als Funktion der Frequenz definiert den Phasengang. Der Regler 13 kann so ausgestaltet sein, dass der Phasengang des Reglers 13 bei der zweiten Frequenz, die zwei Mal die Versorgungsspannungsfrequenz ist, einen Wert von -90° aufweist oder näherungsweise gleich -90° ist.

[0051] Figur 2 zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung 2 nach einem Ausführungsbeispiel, bei der der Wandler als Sperrwandler ausgestaltet ist. Derartige Wandler werden auch als Flyback-Wandler oder Hoch-Tiefsetzsteller bezeichnet.

[0052] Der Wandler weist einen Übertrager auf, der eine primärseitige Induktivität 22 und eine sekundärseitigen Induktivität 25 umfassen kann. Eine Primärseite des Wandlers weist eine Hauptinduktivität 21 auf, in der Energie gespeichert werden kann. Die primärseitige Induktivität 22 und die Hauptinduktivität 21 sind in Figur 2 schematisch separat dargestellt, müssen aber keine separaten Komponenten sein. Beispielsweise kann nur eine einzige Spule vorgesehen sein, die die Funktion der Hauptinduktivität 21 und der primärseitigen Induktivität 22 des Transformators ausführt. Die primärseitige Induktivität 22 des Transformators kann eine Streuinduktivität sein.

[0053] Der Wandler weist ein steuerbares Schaltmittel 23 auf, das mit der Hauptinduktivität 21 in Reihe geschaltet ist. Das steuerbare Schaltmittel 23 wird im Betrieb des Wandlers geschaltet, um Energie von der Primärseite des Transformators, die die Eingangsseite des Wandlers ist, zur Sekundärseite, die die Ausgangsseite ist, zu übertragen. Im eingeschalteten Zustand des steuerbaren Schaltmittels 23 wird Energie in der Hauptinduktivität 21 gespeichert. Dieser Zustand wird auch als Leitphase oder Ladephase bezeichnet, in der die Hauptinduktivität 21 mit Energie geladen wird. Im ausgeschalteten Zustand des steuerbaren Schaltmittels 23 wird die zwischengespeicherte Energie zur Sekundärseite übertragen. Diese Phase wird auch als Sperrphase bezeichnet.

[0054] Die Sekundärseite weist einen Gleichrichter auf, der eine Diode 26 oder mehrere Dioden umfassen kann. Ein Ausgangskondensator 27 auf der Sekundärseite kann geladen werden, wenn Energie von der Primärseite zur Sekundärseite übertragen wird. Der Kondensator 27 wird auch als Ladekondensator bezeichnet.

[0055] Das steuerbare Schaltmittel 23 kann ein Transistor sein. Das steuerbare Schaltmittel 23 kann ein Leistungstransistor sein. Das steuerbare Schaltmittel 23 kann beispielsweise ein Bipolartransistor, ein Transistor mit isolierter Gateelektrode, ein Feldeffekttransistor oder ein anderer steuerbarer Schalter sein.

[0056] Die Schaltungsanordnung 2 weist eine Spannungsregelschleife 30 auf. Die Spannungsregelschleife 30 kann eine Spannung Vo der Ausgangsseite als Regelgröße verwenden. Die Spannung Vo der Ausgangsseite kann an einem Punkt 28, beispielsweise über einen Ohmschen Spannungsteiler, abgegriffen werden. Eine Referenzquelle 31 kann einen Sollwert Vo_ref vorgeben. Ein Differenzverstärker 32 oder Subtrahierer kann die Abweichung zwischen der Spannung Vo der Ausgangsseite und dem Sollwert bestimmen. Der Regler 13 kann das steuerbare Schaltmittel 23 schalten. Abhängig von der Abweichung, die dem Regler 13 zugeführt wird, kann beispielsweise eine Ein-Zeit des steuerbaren Schaltmittels und/oder eine Aus-Zeit des steuerbaren Schaltmittels verändert werden, um die Spannung Vo der Ausgangsseite in Richtung des Sollwerts zu regeln. Beispielsweise kann das Verhältnis von Ein-Zeit (t_on) zu AusZeit (t_off) abhängig davon eingestellt werden, welches Steuersignal der Regler 13 aus dem ihm

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Patentamt zugeführten Eingangssignal erzeugt.

[0057] Die Spannung Vo der Ausgangsseite kann Spannungsrippei mit der zweiten Frequenz aufweisen, die zwei Mal die Versorgungsspannungsfrequenz ist. Derartige Spannungsrippei werden durch die Gleichrichtung hervorgerufen, die eine gleichgerichtete Wechselspannung an den Wandler 12 bereitstellt.

[0058] Während herkömmliche Regelstrategien versuchen, die Amplitude dieser Spannungsrippei auf der Ausgangsseite klein zu halten und/oder eine Übertragung dieser Spannungsrippei durch den Regler 13 zu dämpfen, werden bei Ausführungsbeispielen der Erfindung diese Spannungsrippei mit einer Phasenverschiebung versehen und gezielt ausgenutzt, um die Leistungsfaktorkorrektur zu verbessern.

[0059] Figur 3 ist eine Blockdarstellung von Komponenten eines Reglers nach einem Ausführungsbeispiel. Der Regler weist ein Pl-Glied 41 auf.

[0060] Der Regler weist wenigstens eine Komponente 42 zum Hervorrufen einer zusätzlichen Phasenverschiebung auf. Die wenigstens eine Komponente 42 kann ein Filter oder mehrere Filter umfassen.

[0061] Die wenigstens eine Komponente 42 bewirkt, dass ein Signal, das mit dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz oszilliert, mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung versehen wird. Ein Ausgangssignal Vc der Kombination des Pl-Glieds 41 und der wenigstens einen Komponente 42 zum Hervorrufen der zusätzlichen Phasenverschiebung weist eine bestimmte Phasenverschiebung gegenüber dem entsprechenden Eingangssignal auf. Diese Phasenverschiebung wird für die zweite Frequenz, d.h. die Frequenz der Spannungsrippei, so gewählt, dass durch die phasenverschobenen Spannungsrippei im Ausgangssignal Vc die gesamte harmonische Verzerrung (THD, „total harmonic distortion“) des Eingangsstroms und/oder der Eingangsspannung verringert wird.

[0062] Die wenigstens eine Komponente 42 zum Hervorrufen der zusätzlichen Phasenverschiebung kann eine Übertragungsfunktion aufweisen, die zwei Pole hat. Die zwei Pole können in einer Umgebung der zweiten Frequenz liegen, die zwei Mal die Versorgungsspannungsfrequenz ist.

[0063] Das Ausgangssignal Vc der Kombination aus dem Pl-Glied 41 und der wenigstens einen Komponente 42 zum Hervorrufen der Phasenverschiebung kann eine Schaltersteuerung 43 beeinflussen. Die Schaltersteuerung 43 kann das steuerbare Schaltmittel 13 getaktet schalten. Das Ein- und Ausschalten des steuerbaren Schalmittels kann mit den phasenverschobenen Spannungsrippein der Ausgangsseite zeitabhängig variieren. Diese phasenverschobenen Spannuggsrippel sind in dem Ausgangssignal Vc enthalten, das die Kombination aus dem PlGlied 41 und der wenigstens einen Komponente 42 zum Hervorrufen der zusätzlichen Phasenverschiebung bereitstellt.

[0064] Die Schaltersteuerung 43 kann eine integrierte Schaltung sein. Die Schaltersteuerung 43 kann als ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Controller, ein Mikrocontroller oder eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC, „Application Specific Integrated Circuit“) ausgestaltet sein.

[0065] Figur 4 zeigt eine Implementierung des Reglers für eine Steuervorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel. Der Regler weist das Pl-Glied und Komponenten 45, 46 auf. Die Komponenten 45, 46 können jeweils ein analoges Filter oder ein digitales Filter sein. Die Komponenten 45, 46 definieren jeweils einen Pol der Übertragungsfunktion. Beispielsweise kann das Filter 45 eine Übertragungsfunktion aufweisen, die einen ersten Pol hat. Das Filter 46 kann eine Übertragungsfunktion aufweisen, die einen zweiten Pol hat. Der erste Pol und der zweite Pol können in einer Umgebung der zweiten Frequenz liegen, die gleich dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz ist. Der erste Pol und der zweite Pol können bei dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz liegen.

[0066] Eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen des Reglers kann bei Ausführungsbeispielen

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AT15 822 U1 2018-07-15 österreichisches patentamt verwendet werden. Beispielsweise können zwei Pole der Übertragungsfunktion auch durch nur ein Filter bereitgestellt werden, das Doppelpole aufweist. Während in Figur 3 und Figur 4 funktionale Blöcke dargestellt sind, müssen die unterschiedlichen Komponenten keine separaten

Elemente sein. Beispielsweise kann ein digitaler Prozessor sowohl die Funktion des PI-Reglers als auch die Erzeugung der zusätzlichen Phasenverschiebung übernehmen.

[0067] Die Verwendung der Filter oder anderer Komponenten, die den ersten Pol und den zweiten Pol bereitstellen, bewirkt eine Phasenverschiebung von näherungsweise -90° für Signale, deren Frequenz gleich dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz ist. Für die geschlossene Regelschleife ergibt sich eine gesamte Verschiebung von -180°.

[0068] Das Pl-Glied und die die zusätzliche Phasenverschiebung hervorrufende Komponente des Reglers können durch analoge Schaltungselemente oder in Digitaltechnik implementiert sein. Die Reihenfolge der verschiedenen Komponenten kann vertauscht werden. Beispielsweise kann die zusätzliche Phasenverschiebung eingeführt werden, bevor ein Signal dem Pl-Glied zugeführt wird. Ein Filter oder beide Filter, die die zwei Pole der Übertragungsfunktion bereitstellen, können vor dem Pl-Glied angeordnet sein.

[0069] Der Regler kann auch eine galvanische Trennung umfassen. Dies erlaubt, dass einige der Komponenten des Reglers auf der Sekundärseite und andere der Komponenten des Reglers auf der Primärseite angeordnet sind.

[0070] Figur 5 zeigt ein Signal 51 am Ausgang der Komponenten 41, 42 von Figur 3 oder am Ausgang der Komponenten 41,45, 46 in Figur 4, wenn ein Eingangssignal des Reglers Spannungsrippel aufweist, die mit dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz oszillieren. Dieses Signal 51 kann als Steuersignal verwendet werden, von dem das Schalten des steuerbaren Schaltmittels 23 abhängt.

[0071] Mit gestrichelter Linie dargestellt ist ein Signal 52 am Ausgang eines Pl-Glieds bei einem herkömmlichen Regler, wenn keine zusätzliche Phasenverschiebung eingeführt wird. Das Signal 51 weist eine Phasenverschiebung 53 auf, die durch die zwei Pole in der Übertragungsfunktion des Reglers bei dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz hervorgerufen werden.

[0072] Die Phasenverschiebung 53 zeigt die Änderung der Phasenlage eines Reglers, der bei Ausführungsbeispielen verwendet wird, im Vergleich zu einem herkömmlichen PI-Regler ohne zusätzliche Phasenverschiebung.

[0073] Figur 6 zeigt das Signal 51 am Ausgang der Komponenten 41,42 von Figur 3 oder am Ausgang der Komponenten 41, 45, 46 in Figur 4 zusammen mit dem entsprechenden Eingangssignal 55 des Reglers. Das Eingangssignal 55 weist Spannungsrippei auf, die den Spannungsrippel an der Ausgangsseite des Wandlers entsprechen.

[0074] Das Signal 51 weist eine Phasenverschiebung 59 von näherungsweise -90° gegenüber dem Eingangssignal 55 auf. Die Phasenverschiebung 59 wird durch die zwei Pole in der Übertragungsfunktion des Reglers bei dem Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz hervorgerufen.

[0075] Figur 7 zeigt ein Bode-Diagramm für den Regler nach einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine zusätzliche Phasenverschiebung eingeführt wird. Das Bode-Diagramm für den Regler nach einem Ausführungsbeispiel ist dabei in durchgezogenen Linien dargestellt. Das BodeDiagramm für einen herkömmlichen PI-Regler ist zum Vergleich mit gestrichelten Linien dargestellt.

[0076] Ein Phasengang 61 eines Reglers nach einem Ausführungsbeispiel ist im unteren Teil des Bode-Diagramms dargestellt. Die zweite Frequenz 60 ist zwei Mal die Versorgungsspannungsfrequenz. Der absolute Wert dieser zweiten Frequenz hängt von der Versorgungsspannungsfrequenz ab, kann für unterschiedliche Versorgungsquellen unterschiedlich sein und ist für die nachfolgenden Erläuterungen nicht von Bedeutung. Der Phasengang 61 entspricht dem komplexen Argument der Übertragungsfunktion des Reglers nach einem Ausführungsbeispiel,

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AT15 822 U1 2018-07-15 österreichisches patentamt bei dem eine zusätzliche Phasenverschiebung erzeugt wird.

[0077] Bei der zweiten Frequenz 60 weist der Phasengang 61 einen Funktionswert auf, der in einem Intervall 63 liegt. Das Intervall 63 definiert eine Umgebung einer Phasenverschiebung von -90°. Ein Absolutbetrag der Differenz zwischen den Intervallgrenzen des Intervalls 63 kann kleiner als 90° sein. Das Intervall 63 kann sich symmetrisch um den Wert von -90° erstrecken.

[0078] Bei einem geschlossenen Regelkreis führt dieses Verhalten bei der zweiten Frequenz 60 zu einer gesamten Phasenverschiebung von -180°. Spannungsrippei, die an der Ausgangsseite vorhanden sind, werden durch den PI-Regler mit der zusätzlichen Phasenverschiebung in eine Steuerspannung umgesetzt. Die Spannungsrippei in der Steuerspannung, die ein Schalten des steuerbaren Schaltmittels des Wandlers beeinflusst, können die gesamte harmonische Verzögerung verringern. Dies gilt zumindest, so lange die Amplitude der Spannungsrippei nicht zu groß wird.

[0079] Der Funktionswert des Phasengangs 61 bei der zweiten Frequenz 60 gibt die Phasenverschiebung an, die ein sinusförmiges Signal durch die Kombination des Pl-Glieds mit der zusätzlichen Phasenverschiebung erfährt.

[0080] Der Phasengang 61 des Reglers, der bei Ausführungsbeispielen verwendet wird, kann bei der zweiten Frequenz 60 streng monoton fallend sein. Dies kann durch eine entsprechende Wahl der zusätzlichen Pole der Übertragungsfunktion, die zu der Phasenverschiebung führen, erreicht werden.

[0081] Der Phasengang 61 des Reglers, der bei Ausführungsbeispielen verwendet wird, kann ein lokales Maximum bei einer Frequenz aufweisen, die kleiner als die zweite Frequenz 60 ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Phasenverschiebung bei der zweiten Frequenz 60 im Intervall 63 um den Wert -90° liegt.

[0082] Ein Phasengang 62 eines herkömmlichen PI-Reglers ohne zusätzliche Phasenverschiebung ist zum Vergleich ebenfalls im unteren Teil des Bode- Diagramms dargestellt. Der Phasengang 62 unterscheidet sich deutlich von dem Phasengang 61. Bei der zweiten Frequenz 60 weist der Phasengang 62 einen größeren (und betragsmäßig kleineren) Wert als der Phasengang 61 auf.

[0083] Der obere Teil des Bode-Diagramms zeigt die Verstärkung 64 des Reglers, der bei Ausführungsbeispielen verwendet wird, und die Verstärkung 65 eines herkömmlichen PIReglers ohne zusätzliche Phasenverschiebung.

[0084] Wie beschrieben wurde, bewirkt die zusätzliche Phasenverschiebung, mit der die Spannungsrippel durch den Regler versehen werden, dass die Spannungsrippei die gesamte harmonische Verzögerung sogar verringern können. Es ist nicht notwendig, durch Verwendung eines Ausgangskondensators mit großer Kapazität und/oder Verwendung eines Reglers mit kleiner Bandbreite Spannungsrippei in dem Steuersignal zu verringern, das der Regler erzeugt.

[0085] Figur 8 zeigt einen beispielhaften Zeitverlauf eines Eingangsstroms 71 für eine Schaltanordnung nach einem Ausführungsbeispiel. Figur 9 zeigt einen beispielhaften Zeitverlauf eines Eingangsstroms 72 für eine Schaltanordnung mit einem herkömmlichen PI-Regler, bei dem keine zusätzliche Phasenverschiebung erzeugt wird. Der Eingangsstrom 72 von Figur 9 (herkömmlicher PI- Regler) wurde für einen Wandler mit einem Ausgangskondensator bestimmt, dessen Kapazität mehr als doppelt so groß war wie die Kapazität des Ausgangskondensators bei der Schaltungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel, für die der in Figur 8 dargestellte Eingangsstrom 71 bestimmt wurde.

[0086] Trotz der deutlich kleineren Kapazität des Ausgangskondensators ist die gesamte harmonische Verzögerung für die Schaltung nach einem Ausführungsbeispiel (Eingangsstrom 71 von Figur 8) kleiner als bei dem herkömmlichen Wandler (Eingangsstrom 72 von Figur 9).

[0087] Figur 10 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer Implementierung eines Reglers bei Ausführungsbeispielen.

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Patentamt [0088] Der Regler weist ein Pl-Glied 80, ein Filter 81 zum Definieren eines ersten Pols der Übertragungsfunktion und ein weiteres Filter 82 zum Definieren eines zweiten Pols der Übertragungsfunktion auf. Die Pole in der Übertragungsfunktion, die durch die Filter 81, 82 eingeführt werden, liegen in einer Umgebung des Doppelten der Versorgungsspannungsfrequenz. Das PlGlied kann beispielsweise eine Kapazität 83 in einer Reihenschaltung mit einem Widerstand 84 aufweisen. Das Filter 81 kann eine Kapazität 85 aufweisen. Das weitere Filter 82 kann eine weitere Kapazität 86 und einen weiteren Widerstand 87 aufweisen.

[0089] Der Regler weist eine galvanische Trennung auf. Beispielsweise kann ein Optokoppler 90 zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Wandlers vorgesehen sein. Andere Elemente zur galvanischen Trennung können verwendet werden. Bei der dargestellten Implementierung befindet sich das PI- Glied 80 und das Filter 81 auf der Sekundärseite. Das weitere Filter 82 ist auf der Primärseite angeordnet.

[0090] Der Optokoppler 90 kann über einen Widerstand 92 mit einer Spannungsquelle 91 verbunden sein. Ein Ausgang der Kombination des Pl-Glieds 80 und des Filters 81 ist mit einer Eingangsseite des Optokopplers 90 verbunden. Ein Operationsverstärker 93 kann eine Spannungsreferenz definieren. Der Operationsverstärker 93 kann einen Strom am Ausgang des Optokopplers 90 konstant halten.

[0091] Eine an einer Photodiode des Optokopplers 90 anliegende Spannung wird durch eine Spannungsquelle 94 über einen Spannungsteiler mit Widerständen 95, 96 bereitgestellt. Ein durch die Photodiode fließender Strom wird über einen Widerstand 97 einem Eingang eines Operationsverstärkers 99 zugeführt. Eine Spannungsquelle 98 kann eine Referenzspannung an einen weiteren Eingang bereitstellen. Das weitere Filter 82 kann mit dem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 99 verbunden sein.

[0092] Das am Ausgang des Operationsverstärkers bereitgestellte Signal Vc kann verwendet werden, um Schaltvorgänge des steuerbaren Schaltmittels eines Wandlers zu steuern. Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen Ein-Zeit und Aus-Zeit abhängig von dem Signal Vc verändert werden. Spannungsrippei in dem Signal Vo, das die Spannung auf der Ausgangsseite repräsentiert, sind mit einer entsprechenden Phasenverschiebung in dem Signal Vo vorhanden und beeinflussen das Schalten des steuerbaren Schaltmittels.

[0093] Zahlreiche weitere Implementierungen der verschiedenen Komponenten des Reglers können bei weiteren Ausführungsbeispielen verwendet werden. Andere Ausgestaltungen des Pl-Glieds und der Filter 81, 82 können verwendet werden. Das Pl-Glied 80 und das Filter 81 können auf der Primärseite angeordnet sein. Die Spannung Vo auf der Ausgangsseite kann über einen Optokoppler oder eine andere galvanische Trennung zur Primärseite übertragen werden.

[0094] Bei weiteren Ausgestaltungen kann auch eine andere Regelgröße verwendet werden, um eine Spannungsregelung durchzuführen. Beispielsweise kann auf der Primärseite eine Spannung erfasst werden, die von der Spannung der Ausgangsseite abhängt. Durch eine Regelung der primärseitig erfassten Spannung kann die Spannung auf der Ausgangsseitige indirekt geregelt werden.

[0095] Figur 11 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel. Eine Hilfsinduktivität 101 kann induktiv mit der sekundärseitigen Induktivität 25 gekoppelt sein. Eine Spannung an der Hilfsinduktivität 101 kann erfasst werden. Beispielsweise kann über einen Ohmschen Spannungsteiler 102 die entsprechende Spannung als Hilfssignal Vaux der Spannungsregelschleife 30 zugeführt werden. Eine Referenzspannungsquelle 31 stellt ein Signal Vaux_ref bereit, das den Soll-Wert repräsentiert.

[0096] Der Regler 13 kann zusätzlich zu einem Eingang 105, an dem das Hilfssignal Vaux oder die Abweichung des Hilfssignals von dem Soll-Wert empfangen wird, weitere Eingänge aufweisen. Beispielsweise kann der Regler 13 einen Eingang 107 aufweisen, um zu erkennen, wann die Hauptinduktivität 21 demagnetisiert ist. Schaltvorgänge können abhängig davon ausgelöst werden, wann die Hauptinduktivität 21 demagnetisiert ist. Der Regler 13 steuert an einem Aus9/16

AT15 822 U1 2018-07-15 österreichisches patentamt gang 106 ein Steuersignal aus, mit dem das steuerbare Schaltmittel 23 gesteuert wird.

[0097] Während Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben wurden, können Abwandlungen bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert werden. Beispielsweise kann der Regler, bei dem gezielt eine zusätzliche Phasenverschiebung für Spannungsrippei eingeführt wird, auch in Digitaltechnik implementiert werden. Eine entsprechende Regelung, bei der gezielt eine zusätzliche Phasenverschiebung für Spannungsrippei eingeführt wird, kann bei unterschiedlichen Wandlertypen eingesetzt werden. Verfahren und Vorrichtungen nach Ausführungsbeispielen können bei Betriebsgeräten für Leuchtmittel, beispielsweise bei einem LEDKonverter, verwendet werden.

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Claims

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtmittels (3), umfassend:

einen Eingang (10) zum Empfangen einer Wechselspannung mit einer ersten Frequenz, einen Wandler (12) mit Leistungsfaktorkorrektur, der eine Induktivität (21), ein steuerbares Schaltmittel (23), das mit der Induktivität (21) in Reihe geschaltet ist, und einen Regler (13, 30; 41-43; 41, 43, 45, 46; 80-83) umfasst, wobei der Regler (13, 30; 41-43; 41, 43, 45, 46; 80-83) ein Pl-Glied (41; 80) umfasst und eingerichtet ist, um eine Phasenverschiebung (56) für eine Signalkomponente eines Eingangssignals des Reglers (13, 30; 41-43; 41, 43, 45, 46; 80-83) zu erzeugen, die eine zweite Frequenz (60) aufweist, die doppelt so groß wie die erste Frequenz ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Regler (13, 30; 41-43; 41, 43, 45, 46; 80-83) das Pl-Glied (41; 80) und eine Übertragungsfunktion mit einem ersten Pol und einem zweiten Pol umfasst.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei der erste Pol und der zweite Pol in einer Umgebung der zweiten Frequenz (60) liegen.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei der Wandler (12) eine Eingangsseite mit der Induktivität (21) und eine davon galvanisch getrennte Ausgangsseite aufweist, wobei das Pl-Glied (41; 80) auf der Ausgangsseite des Wandlers (12) vorgesehen ist und wobei ein Filter (82), dessen Übertragungsfunktion den zweiten Pol aufweist, auf der Eingangsseite des Wandlers (12) vorgesehen ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Regler (13, 30; 41-43; 41, 43, 45, 46; 80-83) so eingerichtet ist, dass die Phasenverschiebung (56) für die Signalkomponente in einem Intervall (63) um einen Phasenverschiebungswert von -90° liegt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Regler (13, 30; 41-43; 41, 43, 45, 46; 80-83) so eingerichtet ist, dass die Phasenverschiebung (56) für die Signalkomponente ungefähr gleich -90° ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung eine integrierte Schaltung (43) zum Ansteuern des steuerbaren Schaltmittels (23) umfasst, wobei die integrierte Schaltung einen Eingang aufweist, um die phasenverschobene Signalkomponente (51) zu empfangen.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die integrierte Schaltung (43) eingerichtet ist, um das steuerbare Schaltmittel (23) so zu steuern, dass eine Ein-Zeit und/oder eine Aus-Zeit des steuerbaren Schaltmittels (23) von einer Phase der phasenverschobenen Signalkomponente (55) abhängen.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wandler (12) ein Sperrwandler ist, der über einen Gleichrichter (11) mit dem Eingang (10) verbunden ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (2) eine Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode (3) ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
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Μ Μ
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Phase (°) Verstärkung (dB)

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