AT16411U1 - Leuchtmittel-Konverter mit Verpolschutzschaltung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Konverter für eine LED-Last, aufweisend Eingangsanschlüsse für eine DC-Versorgungsspannung, eine mit den Eingangsanschlüssen direkt oder indirekt verbundene Verpolschutzschaltung, die derart ausgestaltet ist, dass sie unabhängig von der Polarität einer DC-Versorgungsspannung stets die gleiche Polarität an ihrem Ausgang ausgibt, wobei der Ausgang der Verpolschutzschaltung Ausgangsanschlüsse für die LED-Last speist, wobei die Verpolschutzschaltung zwei Diagonalstränge aufweist, und wobei jeweils nur ein Diagonalstrang pro Polarität der DC-Versorgungsspannung leitfähig ist, während der andere Diagonalstrang nicht leitfähig ist, und wobei jeder der beiden Diagonalstränge zwei in Serie geschaltete Transistoren aufweist; und/oder wobei der Konverter (2) weiterhin eine AC- Auskoppelschaltung (PLC2) zum Auskoppeln eines auf die DC-Versorgungsspannung (VDC) modulierten AC-Anteils (AC_PLC) aufweist, wobei der AC-Anteil (AC_PLC) einer Steuerschaltung (SE2) des Konverters zugeführt ist.
Description
Beschreibung
LEUCHTMITTEL-KONVERTER MIT VERPOLSCHUTZSCHALTUNG [0001] Die Erfindung betrifft einen Leuchtmittel-Konverter, der ausgehend von einer Gleichspannungsversorgung versorgt wird und der eine Gleichspannung ausgibt, von der ausgehend Leuchtmittel wie bspw. eine oder mehrere LEDs betrieben werden können. Der Konverter ist insbesondere ein DC/DC-Konverter, der dazu eingerichtet ist, eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom an ein Leuchtmittel, insbesondere eine LED, zu liefern. Weiter ist die Erfindung auf einen Konverter mit einer Verpolschutzschaltung gerichtet, die dazu vorgesehen ist, dass der Konverter unabhängig von der Polung der ihn versorgenden Gleichspannung betrieben werden kann.
[0002] Bekannt ist, dass ein DC/DC-Konverter mit einer Verpolschutzschaltung ausgestattet wird, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Verpolschutzschaltung ist hier mit vier Dioden D1-D4 dargestellt, die im Wesentlichen eine Gleichrichterschaltung bilden. Unabhängig davon, welche Polarität der an Anschlüssen E1, E2 angelegte Gleichstrom aufweist, wird an dem Ausgang A1, A2 immer ein Gleichstrom einer Polarität ausgegeben. Dabei ist entweder der Pfad über die Dioden D1 und D4, oder der Pfad über die Dioden D3 und D2 aktiv. Die Dioden D1 und D4 bilden daher eine erste Diagonale, die Dioden D3 und D2 eine zweite Diagonale.
[0003] Bekannt ist zudem, dass für eine Kommunikation in einem Leuchtgerätesystem ein Trägerfrequenzverfahren zur Übertragung von Daten über Versorgungsleitungen verwendet werden kann. Eine Trägerfrequenztechnik für Stromnetze ist als Powerline-Communication (PLC) bekannt. Insbesondere ist bekannt, dass PLC-Signale auf eine DC-Versorgungsspannung eines Gebäude- bzw. Beleuchtungstechniksystems aufmoduliert werden können, um eine Kommunikation mit angeschlossenen Teilnehmern des Systems zu ermöglichen. Die Teilnehmer können entsprechende Signale modulieren und sind auch in der Lage, die aufmodulierten Signale im Wege einer Demodulation zu erfassen und auszuwerten.
[0004] In einem System, das PLC-Signale zur Kommunikation einsetzt und in dem Teilnehmer mit einer Verpolschutzschaltung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, eingesetzt werden sollen, stellt sich jedoch das Problem, dass bei Übertragung eines PLC-Signals bei niedrigen Spannungsbzw. Stromwerten an einen Teilnehmer die Dioden D1 - D4 an einem Arbeitspunkt betrieben werden, an dem sie einen relativ hohen Widerstand aufweisen. Dies kann dann der Fall sein, wenn z.B. niedrige Dimmwerte einzustellen sind oder ein Betrieb ohne Last erfolgt.
[0005] Als Folge kann sich ergeben, dass ein Konverter des Teilnehmers das PLC-Signal nicht mehr auswerten kann. Der Konverter wertet z.B. AC-Anteile des DC-Versorgungsstroms als PLC-Signale aus, indem er eine AC-Modulation unter Blockieren der DC-Spannung auswertet. Dies kann beispielsweise unter Verwendung eines Kondensators erfolgen, über den ein entsprechendes Signal einer Steuereinheit, und insbesondere einem Mikrocontroller (z.B. über einen Analog-Digital-(A/D-) Wandler), zugeführt wird. Eine entsprechende Situation tritt auch dann ein, wenn beispielsweise ein Leuchtmittel an dem Konverter mit einem hohen Dimmgrad, d.h. beispielsweise geringer Helligkeit, betrieben werden soll.
[0006] Die Erfindung stellt daher einen Konverter und eine Verpolschutzschaltung sowie ein System gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0007] In einem ersten Aspekt wird ein Konverter für eine LED-Last bereitgestellt, aufweisend Eingangsanschlüsse für eine DC-Versorgungsspannung, eine mit den Eingangsanschlüssen direkt oder indirekt verbundene Verpolschutzschaltung, die derart ausgestaltet ist, dass sie unabhängig von der Polarität einer DC-Versorgungsspannung stets die gleiche Polarität an ihrem Ausgang ausgibt, wobei der Ausgang der Verpolschutzschaltung Ausgangsanschlüsse für die LED-Last speist, wobei die Verpolschutzschaltung zwei Diagonalstränge aufweist, und wobei jeweils nur ein Diagonalstrang pro Polarität der DC-Versorgungsspannung leitfähig ist, während der andere Diagonalstrang nicht leitfähig ist. Jeder der beiden Diagonalstränge weist /8
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Patentamt zwei in Serie geschaltete Transistoren auf.
[0008] Der Konverter weist Ausgangsanschlüsse auf, an denen eine DC-Spannung anliegt, ausgehend von der direkt oder indirekt eine oder mehrere LED-Lasten betreibbar sind.
[0009] In einem weiteren Aspekt wird ein Konverter für eine LED- Last bereitgestellt, aufweisend Eingangsanschlüsse für eine DC-Versorgungsspannung, eine mit den Eingangsanschlüssen direkt oder indirekt verbundene Verpolschutzschaltung, die derart ausgestaltet ist, dass sie unabhängig von der Polarität einer DC-Versorgungsspannung stets die gleiche Polarität an ihrem Ausgang ausgibt. Der Ausgang der Verpolschutzschaltung speist indirekt Ausgangsanschlüsse für die LED-Last. Die Verpolschutzschaltung weist zwei Diagonalstränge auf, wobei jeweils nur ein Diagonalstrang pro Polarität der DC-Versorgungsspannung leitfähig ist, während der andere Diagonalstrang nicht leitfähig ist. Weiterhin weist der AC-Konverter eine AC-Auskoppelschaltung zum Auskoppeln eines auf die DC-Versorgungsspannung modulierten ACAnteils auf, wobei der AC-Anteil einer Steuerschaltung des Konverters zugeführt ist.
[0010] Die Steuerschaltung wertet den AC-Anteil als Signal aus und steuert den Betrieb einer angeschlossenen LED-Last (bspw. Dimmen) und/oder ihren eigenen Betrieb abhängig von diesem Signal.
[0011] Der Konverter kann eine AC-Auskoppelschaltung zum Auskoppeln eines auf die DCVersorgungsspannung modulierten AC-Anteils aufweisen, wobei der AC-Anteil einer Steuerschaltung des Konverters zugeführt ist.
[0012] Der AC-Anteil kann ein AC-Spannungsanteil sein. Die AC- Auskoppelschaltung kann ein PLC-Demodulator sein. Der AC- Anteil kann ein auf die DC-Versorgungsspannung aufmoduliertes PLC-Signal sein.
[0013] Ein Hub/Amplitudenhub des AC-Anteils kann zwischen 1% und 5%, vorzugsweise 2% der DC-Versorgungsspannung liegen, und insbesondere bei 0,5-5 Volt, vorzugsweise 1 Volt.
[0014] Jeder der beiden Diagonalstränge kann zwei in Serie geschaltete Transistoren aufweisen. Die Transistoren können FET- und/oder MOSFET-Transistoren sein.
[0015] Die DC-Versorgungsspannung kann 40-50 Volt, vorzugsweise 48 Volt betragen.
[0016] Jeweils zwei Transistoren können in einer Transistor- Serienschaltung angeordnet sein, wobei die Transistor- Serienschaltungen parallel angeordnet sind und den Ausgang überbrücken.
[0017] Jeweils ein Eingangsanschluss kann mit einem Mittenpunkt jeweils einer der TransistorSerienschaltung verbunden sein, und wobei der Mittenpunt zwischen den Transistoren der jeweiligen Transistor-Serienschaltung liegt.
[0018] Die Transistoren können selbstschaltende Transistoren sein.
[0019] In einem noch weiteren Aspekt wird ein System aufweisend einen PLC-Modulator, der mit einem DC-Spannungsbus mit wenigstens einem Konverter verbunden ist, wie er vorstehend beschrieben ist.
[0020] Die Erfindung wird nunmehr auch mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
[0021] Fig. 1 eine Polaritätsschutzschaltung gemäß dem Stand der Technik, [0022] Fig. 2 eine schematische Übersicht über ein System mit einem DC/DC-Konverter, [0023] Fig. 3 schematisch eine DC-Versorgungsspannung mit AC-Anteil, [0024] Fig. 4 eine Verpolschutzschaltung gemäß der Erfindung.
[0025] Fig. 2 zeigt schematisch ein System mit Komponenten eines Beleuchtungssystems, in dem die erfindungsgemäße Lösung zum Einsatz kommen soll.
[0026] Dabei ist zunächst eine erste Konvertereinheit 1 gezeigt, die eine Wechselspannungsversorgung VAC mit einem AC/DC- Wandler AC/DC in eine Gleichspannungsversorgung VDC
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Patentamt wandelt. Zudem weist der erste Wandler 1 eine Steuereinheit SE1 auf, mit der Steuersignale, und insbesondere Dimmsignale, die dem Wandler 1 von einer externen Signalquelle SQ zugeführt werden, verarbeitet werden können. Bei den Steuersignalen handelt es sich dabei vorzugsweise um DALI- oder DSI-Signale. Ebenso kann die erste Steuereinheit SE1 zur Ausgabe von Steuerbefehlen eingerichtet sein. Mittels einer PLC-Kommunikationseinheit PLC1 werden dann z.B. eingehende Befehle auf die DC- Versorgungsspannung an der Leitung L aufmoduliert, bzw. die an der Leitung L anliegende Versorgungsspannung wird hinsichtlich mittels eines PLC-Signals übertragener Informationen demoduliert bzw. ausgewertet. Die Leitung L ist dabei insbesondere ein DC-Spannungsbus.
[0027] An die Versorgungsleitung L können dann weitere Geräte angeschlossen sein, die einen DC/DC-Konverter 2 aufweisen können. Der Konverter 2 ist mit einer Verpolschutzschaltung PSS ausgestattet, um Anschlussfehler, die bei Verbinden des Konverters 2 mit der DCVersorgung auftreten können (z.B. bei Anschluss eines den Konverter 2 aufweisenden Geräts durch einen Benutzer an die Leitung L) , abzufangen. Aufgrund der Verpolschutzschaltung PSS ist es bezüglich der Polung der Versorgungsspannung unerheblich, in welcher Polung der Konverter 2 mit der DC-Versorgungsspannung verbunden wird.
[0028] Ausgehend von der dem Konverter 2 zugeführten DC-Spannung VDC wird dann eine Last LED betrieben. Es ist wiederum eine PLC-Schaltung PLC2 vorgesehen, die der DC- Versorgungsspannung aufmodulierte PLC-Signale auswertet und eine entsprechende Information an eine Steuereinheit SE2 des Konverters 2 übermittelt. Auf Basis dieser Information kann die Steuereinheit SE2 dann beispielsweise eine Stromquelle S für die Last LED entsprechend ansteuern.
[0029] Wird als Verpolschutzschaltung PSS die in Fig. 1 gezeigte Anordnung verwendet, so erlauben die vier Dioden D1 - D4 einen Anschluss des Konverters, ohne dass bei einem Anschluss auf die richtige Polarität geachtet werden muss. Liegt ein genügend hoher Strom an und leiten die Dioden einen genügend hohen Strom, so dämpfen die Dioden für gewöhnlich ein eingehendes PLC-Signal nicht wesentlich und der Konverter 2 arbeitet wie beabsichtigt.
[0030] Fließt jedoch lediglich ein geringer Strom durch die Dioden, beispielsweise, wenn das an den Konverter angeschlossene Leuchtmittel gedimmt betrieben werden soll, d.h., wenn insbesondere eine geringe oder keine Last an dem Konverter anliegt (beispielsweise, wenn ein angeschlossenes Leuchtmittel deaktiviert ist) , steigt die Impedanz der Dioden stark an, was zu einer Dämpfung des PLC-Kommunikationssignals führt. Der Konverter 2 ist dann nicht mehr in der Lage, PLC-Signale auszuwerten bzw. mittels PLC-Signalen zu kommunizieren, da aufgrund der hohen Dämpfung eine Auswertung von PLC-Signalen durch die PLC-Einheit des Konverters 2 nicht mehr erfolgen kann.
[0031] Dies soll auch mit Blick auf Fig. 3 veranschaulicht werden. Der Gleichspannung VDC an der Leitung L wird ein AC-Signal AC_PLC aufmoduliert (angezeigt durch den Pfeil). Die Amplitude des AC-Anteils AC_PLC ist im Verhältnis zur Spannung VDC klein. Bei starker Dämpfung der Amplitude durch die Dioden D1 - D4 lässt sich der AC-Anteil AC_PLC dann nicht mehr von der Gleichspannung separieren und auswerten. Das PLC-Signal wird also durch den AC-Anteil AC_PLC übertragen. Die PLC-Einheit PLC2 kann bei starker Dämpfung den ACAnteil AC_PLC nicht mehr erfassen und kann auch keine diesen betreffende Information, bzw. den AC- Anteil AC_PLC an die Steuereinheit SE2 übermitteln.
[0032] Insbesondere ist dies dann der Fall, wenn beispielsweise der Konverter 2 oder ein ihn enthaltendes Betriebsgerät in einem Bereitschaftszustand (Standby-Modus) geschaltet werden soll. Ein PLC-Signal, das dann ein „aufwecken aus dem Bereitschaftszustand, also einen Wechsel von dem Bereitschaftszustand in einen anderen Zustand, anzeigen soll, kann dann nicht mehr erfasst werden.
[0033] Gemäß der Erfindung, und wie in Fig. 4 gezeigt, ist es daher vorgesehen, die Verpolschutzschaltung PSS derart auszuführen, dass nicht mehr vier Dioden D1 - D4 sondern vier selbstschaltende Transistoren eingesetzt werden. Insbesondere werden die Dioden aus Fig. 1
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Patentamt durch selbstschaltende Transistoren und vorzugsweise durch Feldeffekttransistoren (FET, MOSFET) M1 - M4 ersetzt. Wie bei Fig. 1 ist dann bei Anschließen einer bestimmten Polarität lediglich eine Diagonale mit zwei Transistoren leitend. Insbesondere ist entweder die Diagonale mit dem Transistor M1 (als p-Kanal MOSFET dargestellt) und dem Transistor M4 (als n-Kanal MOSFET dargestellt) leitend, oder die Diagonale mit dem Transistor M3 (als n-Kanal MOSFET dargestellt) und dem Transistor M2 (als p-Kanal MOSFET dargestellt) . Der mit F bezeichnete Schaltungsteil stellt eine optionale Filterschaltung dar.
[0034] Da der Widerstand eines leitend geschalteten Transistors geringer ist, als der einer leitenden Diode, kann somit auch ohne Betrieb eine Last bzw. wenn durch die Last lediglich ein geringer Strom angefordert wird, ein PLC- Signal bzw. ein AC-Anteil der DC-Versorgungsspannung durch die Steuereinheit SE2 des Konverters 2 ausgekoppelt und ausgewertet werden. So kann eine am Abgriff PVin erfasste Spannung Vin der Steuereinheit SE2 des Konverters 2 über eine Kapazität C und einem optionalen Analog-zu-Digital-Wandler ADC zugeführt werden, um eine entsprechende Auswertung des PLC-Signals vorzunehmen. Die Auswertung kann auch mittels der Kommunikationseinheit PLC2 erfolgen, wobei diese auch in die Steuereinheit SE2 integriert sein kann. Die Steuereinheit und/oder die Kommunikationseinheit PLC2 kann/können dabei als IC, ASIC und/oder Mikrokontroller ausgebildet sein.
[0035] Die Verpolschutzschaltung PSS ist dabei derart ausgestaltet, dass der bei Anlegen einer bestimmten Polarität leitende Zweig niederohmig ist, wobei niederohmig in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die Modulationsamplitude des PLC-Signals bzw. des AC-Anteils AC_PLC bei einem definierten Modulationshub sicher erfasst werden kann. Diese kann dahingehend spezifiziert werden, dass bei einem DC-Spannungspegel von 40-50V und insbesondere 48V, der absolute Modulationshub ±0,5-5V und insbesondere ±1V beträgt.
[0036] Der absolute Modulationshub kann auch im Bereich unterhalb von 0,7V liegen, also unterhalb der Durchlaß-Spannung einer Diode.
[0037] Insbesondere kann der Modulationshub als relative Größe von >1-5%, vorzugsweise 2% der Amplitude der DC-Spannung betragen. Je höher die Amplitude der DC-Spannung ist, desto kleiner kann der relative Modulationshub sein.
[0038] Insgesamt werden also die Dioden aus Fig. 1 durch selbstschaltende Transistoren ersetzt. Jeweils zwei der Transistoren M1 - M4 sind in Transistor-Serienschaltungen in Serie geschaltet. Dabei bilden die Transistoren M1 und M2 eine erste Transistor-Serienschaltung und die Transistoren M3 und M4 eine zweite Transistor- Serienschaltung. Mit einem Mittenpunkt jeder Transistor- Serienschaltung ist direkt oder indirekt jeweils einer der Eingangsanschlüsse E1, E2 verbunden. Jede Transistor- Serienschaltung überbrückt dann die Anschlüsse A1, A2 des Ausgangs. Die Gates von zwei der Transistoren M3, M4 werden ausgehend von einem ersten Eingangsanschluss E1 angesteuert, während die Gates von zwei der Transistoren M1, M2 ausgehend von einem zweiten Eingangsanschluss E2 angesteuert werden.
[0039] Der erste Eingangsanschluss E1 ist dabei mit dem Mittenpunkt der Transistor-Serienschaltung der Transistoren M1, M2 verbunden. Der zweite Eingangsanschluss E2 ist mit dem Mittenpunkt der Transistor-Serienschaltung der Transistoren M3, M4 verbunden. Bei Aktivierung einer der Diagonalen ist jedoch eine Serienschaltung von zwei Transistoren aus unterschiedlichen Transistor-Serienschaltungen leitend/sperrend.
[0040] Da das PLC-Signal bei Einsatz der Transistoren M1 - M4 somit wesentlich weniger gedämpft wird, kann die erfindungsgemäße Lösung in Konvertern eingesetzt werden, die einen Ruhezustand, einen gedimmten Leuchtmittelbetrieb und/oder einen Betrieb ohne Last ermöglichen und gleichzeitig die Auswertung von PLC-Befehlen erlauben. Insbesondere kann ein PLCBefehl ausgewertet werden, der den Konverter 2 aus einem Ruhezustand (Standby-Modus) in einen Betriebszustand versetzt. Mit einer Gleichrichterbrücke gemäß dem Stand der Technik ist dies nicht möglich.
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Patentamt
Claims (10)
- Ansprüche1. Konverter (2) für eine LED-Last (LED), aufweisend:- Eingangsanschlüsse (E1, E2) für eine DC-Versorgungsspannung (VDC),- eine mit den Eingangsanschlüssen (E1, E2) direkt oder indirekt verbundene Verpolschutzschaltung (PSS), die derart ausgestaltet ist, dass sie unabhängig von der Polarität einer DC-Versorgungsspannung (VDC) stets die gleiche Polarität an ihrem Ausgang (A1, A2) ausgibt, wobei der Ausgang (A1, A2) der Verpolschutzschaltung Ausgangsanschlüsse für die LED-Last (LED) speist, wobei die Verpolschutzschaltung (PSS) zwei Diagonalstränge aufweist, wobei jeweils nur ein Diagonalstrang pro Polarität der DC-Versorgungsspannung (VDC) leitfähig ist, während der andere Diagonalstrang nicht leitfähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Diagonalstränge zwei in Serie geschaltete Transistoren (M1, M4; M3, M2) aufweist; und/oder dass der Konverter (2) weiterhin eine AC-Auskoppelschaltung (PLC2) zum Auskoppeln eines auf die DC-Versorgungsspannung (VDC) modulierten AC- Anteils (AC_PLC) aufweist, wobei der AC-Anteil (AC_PLC) einer Steuerschaltung (SE2) des Konverters zugeführt ist.
- 2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der AC-Anteil (AC_PLC) ein AC-Spannungsanteil ist.
- 3. Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die AC-Auskoppelschaltung (PLC2) ein PLC- Demodulator ist, und der AC-Anteil (AC_PLC) ein auf die DC-Versorgungsspannung (VDC) aufmoduliertes PLC-Signal ist.
- 4. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hub des AC-Anteils (AC_PLC) zwischen 1% und 5%, vorzugsweise 2% der Amplitude der DC-Versorgungsspannung (VDC) liegt, und insbesondere bei 0,5-5 Volt, vorzugsweise 1 Volt.
- 5. Konverter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (M1, M2, M3, M4) FET- und/oder MOSFET-Transistoren sind.
- 6. Konverter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Versorgungsspannung (VDC) 40-50 Volt, vorzugsweise 48 Volt beträgt.
- 7. Konverter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Transistoren (M1, M2, M3, M4) in einer Transistor-Serienschaltung angeordnet sind, und dass die Transistor-Serienschaltungen parallel angeordnet sind und den Ausgang (A1, A2) überbrücken.
- 8. Konverter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Eingangsanschluss (E1, E2) mit einem Mittenpunkt jeweils einer der Transistor- Serienschaltung verbunden ist, und wobei der Mittenpunt zwischen den Transistoren (M1, M2; M3, M4) der jeweiligen Transistor-Serienschaltung liegt.
- 9. Konverter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (M1, M2, M3, M4) selbstschaltende Transistoren sind.5/8AT16411 U1 2019-08-15 österreichischesPatentamt
- 10. System aufweisend einen PLC-Modulator (PLC1), dadurch gekennzeichnet, dass der PLC-Modulator (PLC1) mit einem DC-Spannungsbus (L) mit wenigstens einem Konverter (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche verbunden ist.Hierzu 2 Blatt Zeichnungen6/8AT16411 U1 2019-08-15 österreichischesPatentamt1/2Fig. 2AC_PLCVDC7/8AT16411U1 2019-08-15 österreichischesPatentamt2/2Vin _L [_ADC IPLC28/8Österreich isches
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