AT17628U1

AT17628U1 - Schaltregler zum Betreiben von Leuchtmitteln

Info

Publication number: AT17628U1
Application number: ATGM148/2017U
Authority: AT
Original assignee: Tridonic Gmbh & Co Kg
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2022-09-15
Also published as: DE202017101093U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln (6), aufweisend eine Steuerschaltung (7), die dazu ausgelegt ist, mittels Ansteuerung eines mit einer Spule (L) gekoppelten Schalters (S) den Schaltregler (1) in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben, und Mittel (R) zum direkten oder indirekten Erfassen des durch die Spule (L) fließenden Stroms (iL) und zur Zuführung eines diesen Strom (iL) wiedergebenden ersten Signals an die Steuerschaltung (7), wobei die Steuerschaltung (7) dazu ausgelegt ist, den Schalter (S) auszuschalten, wenn das erste Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle (iPK) erreicht hat, und den Wiedereinschaltzeitpunkt des Schalters (S) auf Grundlage einer vorgegebenen Abgabeleistung des Schaltreglers zugeordneten Zeitspanne (T) zwischen zwei Wiedereinschaltzeitpunkten zu bestimmen.

Description

Beschreibung

SCHALTREGLER ZUM BETREIBEN VON LEUCHTMITTELN

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltregler zum Betreiben von Leuchtmitteln. Die Erfindung betrifft insbesondere Schaltregler, die in Betriebsgeräten zum Versorgen von Leuchtdioden eingesetzt werden.

[0002] Ein Betriebsgerät zum Versorgen von Leuchtdioden ist aus der WO 2014/176609 A1 bekannt. Solche Betriebsgeräte dienen hauptsächlich dazu, eine gewünschte Energieversorgung für das Leuchtmittel, wie zum Beispiel einer Leuchtdiode (LED) oder mehrere in Serie und/oder parallel verschaltete Leuchtdioden, bereitzustellen. Zusätzliche Funktionen, wie das Dimmen der Leuchtmittel, die Veränderung/Anpassung der Lichtfarbe oder die Kompensation von Schwankungen der Eingangsspannung, können in dem Betriebsgerät vorgesehen sein.

[0003] Die Lichtabstrahlung einer Leuchtdiode hängt vom Stromfluss durch die Leuchtdiode ab. Zur Helligkeitssteuerung oder Helligkeitsregelung werden Leuchtdioden daher typischerweise in einem Modus betrieben, in dem der Stromfluss durch die Leuchtdiode von dem Betriebsgerät gesteuert oder geregelt wird.

[0004] Zur Ansteuerung von Leuchtdioden können in den Betriebsgeräten Schaltregler verwendet werden, beispielsweise Aufwärts-, Invers- oder Sperrwandler, die in der Technik auch als Boost-, Buck-Boost-Konverter bzw. Flyback-Konverter bezeichnet werden. In einem derartigen Schaltregler steuert eine Steuereinrichtung einen schnellen Schalter an, der im eingeschalteten Zustand einen Stromfluss durch eine Spule bewirkt und nach dem Erreichen eines vorgegebenen Stroms (Abschaltschwelle) ausgeschaltet wird. Nach dem Ausschalten treibt die Spule den Strom über eine Diode in den Ladekondensator und zur Leuchtdiode.

[0005] Die Schaltregler werden je nach Anwendung im kontinuierlichen Betriebsmodus, bei dem der Schalter wiedereingeschaltet wird, bevor der Strom durch die Spule auf null abgesunken ist, im Grenzbetrieb, bei dem der Schalter wiedereingeschaltet wird, sobald der Spulenstrom auf null abgesunken ist oder die Nulllinie mit einer positiven Flanke erreicht, oder im diskontinuierlichen Betriebsmodus betrieben, bei dem der Schalter nicht sofort wiedereingeschaltet wird, sobald der Spulenstrom auf null abgesunken ist bzw. die Nulllinie mit einer positiven Flanke erreicht.

[0006] Im diskontinuierlichen Betriebsmodus (lückender Betrieb) wird ein Dimmen der Leuchtdiode oder das Einstellen einer gewünschten Abgabeleistung des Schaltreglers über eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung der Totzeit erreicht. Die Totzeit ist die Zeitdauer vom Zeitpunkt, bei dem der Spulenstrom auf null abgesunken ist, bis zum Wiedereinschalten des Schalters.

[0007] Treten in der Eingangsspannung des Schaltreglers Schwankungen auf, können diese insbesondere bei Schaltreglern, bei denen kein Strom in der Einschaltphase ausgegeben wird, zu sichtbaren Schwankungen in der Helligkeit der Leuchtdiode führen.

[0008] Sinkt beispielsweise die Eingangsspannung ab, vergrößert sich die Einschaltdauer des Schalters, da die Abschaltschwelle erst zu einem späteren Zeitpunkt erreicht wird. Bei konstanter Totzeit auf Grund einer trägen oder fehlenden Regelung des mittleren Abgabestroms des Schaltreglers, verringert sich somit der mittlere Abgabestrom im Zyklus zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einschaltzeitpunkten.

[0009] Um solchen Schwankungen in der Abgabeleistung entgegenzuwirken, wäre eine sehr schnelle Regelung der Totzeit nötig, was den Aufbau des Schaltreglers bzw. des Betriebsgeräts insgesamt komplex und teuer macht.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren anzugeben, die die beschriebenen Probleme verringern. Aufgabe ist es insbesondere, einen Schaltregler und ein Betriebsgerät für Leuchtdioden bereitzustellen, bei denen die Auswirkungen von Schwankungen in der Eingangsspannung mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau verringert werden können.

[0011] Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Erfindung wird durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche weitergebildet.

[0012] Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Schaltregler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln eine Steuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, mittels Ansteuerung eines mit einer Spule gekoppelten Schalters den Schaltregler in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben, und Mittel zum direkten oder indirekten Erfassen des durch die Spule fließenden Stroms und zur Zuführung eines diesen Strom wiedergebenden ersten Signals an die Steuerschaltung auf. Die Steuerschaltung ist dazu ausgelegt, den Schalter auszuschalten, wenn das erste Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle erreicht hat, und den Wiedereinschaltzeitpunkt des Schalters auf Grundlage einer vorgegebenen Abgabeleistung des Schaltreglers zugeordneten Zeitspanne (Schaltzyklus/Periode) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wiedereinschaltzeitpunkten zu bestimmen, so dass bei einer Anderung der Einschaltzeitdauer mit konstanter Abschaltschwelle und konstantem Schaltzyklus/Periode die Totzeit variiert.

[0013] Auf diese Weise bleibt auch bei einer Änderung der Einschaltzeitdauer auf Grund von Schwankungen in der Eingangsspannung die Dauer des Schaltzyklus (Periode) konstant, was zu einem konstanten mittleren Abgabestrom führt.

[0014] Die Steuerschaltung kann dazu ausgelegt sein, die Abschaltschwelle und/oder die Zeitspanne in Abhängigkeit von einem empfangenen Dimmsignal zu ändern.

[0015] Zusätzlich kann die Steuerschaltung dazu ausgelegt sein, die Abschaltschwelle und/ oder die Zeitspanne entsprechend einer Funktion oder einer Tabelle, welche jedem Wert des empfangenen Dimmsignals eine Abschaltschwelle bzw. Zeitspanne zuordnet, zu setzen.

[0016] Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltregler Mittel zum direkten oder indirekten Erfassen des von dem Schaltregler abgegebenen und durch das oder die Leuchtmittel fließenden Stroms oder der an das oder die Leuchtmittel abgegebenen Spannung und zur Zuführung eines diesen Strom oder die Spannung wiedergebenden zweiten Signals an die Steuerschaltung aufweisen, wobei die Steuerschaltung dazu ausgelegt ist, für eine Regelung der Abgabeleistung eine Abweichung der von dem Schaltregler abgegebenen Leistung von der vorgegebenen Abgabeleistung auf Grundlage des zweiten Signals zu bestimmen und zumindest die Zeitspanne entsprechend der bestimmten Abweichung zu ändern, um der Abweichung entgegenzuwirken.

[0017] Um zu verhindern, dass bei konstanter oder geänderter Schaltzyklusdauer die Totzeit null wird, kann die Einschaltzeit auf einen Maximalwert begrenzt werden. Der Maximalwert kann vom Hersteller oder Anwender vorgegeben sein oder von der Schaltzyklusdauer und/oder der Abgabeleistung abhängen.

[0018] Eine solche Begrenzung kann auch für die ersten Zyklen nach der Betriebsaufnahme erfolgen. Hierzu weist der Schaltregler Mittel zum Erfassen und Begrenzen der Einschaltzeit auf, wobei der Schalter ausgeschaltet wird, wenn der Maximalwert erreicht ist. Der Schalter kann ein Leistungsschalter, ein Feldeffekttransistor, ein Bipolartransistor oder ein Transistor mit isolierter Gateelektrode sein.

[0019] Der Schaltregler kann ein Invers-, Aufwärts- oder Sperrwandler sein.

[0020] Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Betriebsgerät für Leuchtdioden einen der oben beschriebenen Schaltregler auf.

[0021] Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern eines im diskontinuierlichen Betriebsmodus betriebenen Schaltreglers für den Betrieb von einem oder mehreren Leuchtmitteln, folgende Schritte auf:

- Ansteuern eines mit einer Spule gekoppelten Schalters des Schaltreglers, und

- Erfassen des durch die Spule fließenden Stroms und Erzeugen eines diesen Strom wiedergebenden Signals (ISNS), wobei der Schalter ausgeschaltet wird, wenn das Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle erreicht hat, wobei

- der Schalter ausgeschaltet wird, wenn das erste Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle erreicht hat, und

- den Wiedereinschaltzeitpunkt des Schalters auf Grundlage einer vorgegebenen Abgabeleistung des Schaltreglers zugeordneten Zeitspanne zwischen zwei Wiedereinschaltzeitpunkten bestimmt wird.

[0022] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

[0023] Fig. 1 eine Schaltung eines Schaltreglers nach einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung,

[0024] Fig. 2 Diagramme mit Signalverläufen des im diskontinuierlichen Betriebsmodus betriebenen Schaltreglers nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, und

[0025] Fig. 3 eine Schaltung eines Schaltreglers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.

[0026] Komponenten mit gleichen Funktionen sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

[0027] Der in Fig. 1 gezeigte Schaltregler 1 dient zum Betrieb von Leuchtmitteln und kann in ein Betriebsgerät (nicht gezeigt), welches weitere dem Schaltregler 1 vorgelagerte Komponenten, wie einen Gleichrichter und/oder eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung integriert werden.

[0028] An den zwei Eingangsanschlüssen 2, 3 des abgebildeten Schaltreglers 1 ist eine Versorgungsspannung Ui zuführbar, die eine Gleichspannung oder eine gleichgerichtete Wechselspannung sein kann, wobei dem Eingangsanschluss 3 das Potential null (Masse), welches das Bezugspotential für alle Signal- und Betriebsspannungen darstellt, zugeordnet ist.

[0029] An den Ausgangsanschlüssen 4, 5 des Schaltreglers 1 ist ein Leuchtmittel 6 anschließbar, wobei der Ausgangsanschluss 4 mit dem Eingangsanschluss 2 über eine Diode D und der Ausgangsanschluss 5 mit dem Eingangsanschluss 3 über einen Schalter S und einen Widerstand R (Messwiderstand) verbunden sind. Ein Kondensator C ist parallel zu den Ausgangsanschlüssen 4, 5 und eine Spule L ist zwischen dem Eingangsanschluss 2 und Ausgangsanschluss 5 verschaltet.

[0030] Das Leuchtmittel 6 ist vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED) oder mehrere LEDs. Die LEDs können anorganische oder organische LEDs sein. Die mehreren LEDs können in Serie oder parallel geschaltet sein. Die mehreren LEDs können auch in komplexeren Anordnungen verschaltet sein, beispielsweise in mehreren zueinander parallel geschalteten Reihenschaltungen.

[0031] Der in Fig. 1 gezeigte Schaltregler 1 ist ein Inverswandler (englisch „inverting Buck-Boost Converter“), der die im Bezug zum Potential am Eingangsanschluss 3 positive Versorgungsspannung Un In eine negative Ausgangsspannung ohne galvanische Trennung wandelt und eine Steuerschaltung 7 aufweist, die dazu ausgelegt ist, mittels Ansteuerung des Schalters S den Inverswandler zumindest zeitweise in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben.

[0032] Der Steuerschaltung 7 wird hierzu über die Eingangsanschlüsse 8 und 9 ein Abschaltschwellenwert bzw. ein mittlerer Sollwert für den Strom durch das Leuchtmittel 6 vorgegeben und optional über den Eingangsanschluss 8 ein Maximalwert für die Einschaltzeit des Schalters S. Die Steuerschaltung 7 weist einen den Schalter S ansteuernden Pulsweitenmodulator 11, einen Komparator 12 und eine Recheneinrichtung 13 auf. Der Komparator 12 vergleicht den Abschaltschwellenwert mit der über dem Widerstand R abfallenden und den Spulenstrom wiedergebende Spannung und gibt bei einem Erreichen des Schwellenwerts ein Abschaltsignal an den Pulsweitenmodulator 11 aus. Die Recheneinrichtung 13 ermittelt auf der Grundlage des Sollwerts, welcher ein Dimm-Pegel sein kann, die Dauer (Periode T) eines Schaltzyklus und übermittelt diesen an den Pulsweitenmodulator 11, wobei eine Zuordnung des Sollwerts zu der zu setzenden Periodendauer T mittels einer Funktion oder einer Tabelle erfolgen kann.

[0033] Fig. 2 zeigt zwei Diagramme A und B mit Signalverläufen des Spulenstroms i. des im diskontinuierlichen Betriebsmodus betriebenen Schaltreglers 1. In dem Diagramm A ist t+ die Zeitdauer, in der der Schalter S eingeschaltet ist und in der der Strom ir. von dem Eingangsanschluss 2 über die Spule L, den geöffneten Schalter S zum Eingangsanschluss 3 fließt und bist zum Abschaltschwellenwert ipx ansteigt. In dem Zeitabschnitt t2 ist der Schalter S geöffnet und der nun durch den Kondensator C, das Leuchtmittel 6 und die Diode D fließende Strom i_ fällt von dem Abschaltschwellenwert ipk auf null ab. Der Zeitabschnitt ta repräsentiert die Totzeit, in der der Spulenstrom ir „lückt“ bzw. null ist und die Periode T die Dauer eines Schaltzyklus, die Summe der Zeitabschnitte t;, tz und ta.

[0034] Da nur während dem Zeitabschnitt t2 eine Stromabgabe an die Sekundärseite bzw. den Kondensator C erfolgt und dieser geladen wird, ergibt sich ein mittlerer Abgabestrom Iıep av während der Periode T aus ILeo av=Q/(t1+t2+ta), wobei Q dem Mittelwert des Stroms i_ im Zeitabschnitt t; entspricht.

[0035] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der mittlere Abgabestrom iLeo av Nicht durch das Setzen oder Variieren der Totzeit ta gesteuert oder geregelt, sondern durch das Setzen bzw. Varlieren der Periode T, der Dauer eines Schaltzyklus. Somit bleibt bei einer konstanten Leistungsanforderung bzw. einem konstanten Dimm-Pegel die Periode T unverändert, wohingegen die Totzeit ta bei einer durch Störungen bedingten Anderung der Einschaltzeit T+ variiert.

[0036] Es sei angenommen, dass in dem Diagramm B die Eingangsspannung im Vergleich zum Diagramm A abgesunken ist, so dass die unveränderte Abschaltschwelle ipk erst zu einem späteren Zeitpunkt erreicht wird und sich die Einschaltzeitdauer (Zeitabschnitt t;2) vergrößert. Da die Periode T konstant bzw. im Bezug zum Diagramm A unverändert ist, hat das Absinken der Eingangsspannung auf den mittleren Abgabestrom i_eo av=Q/T keinen Einfluss.

[0037] Um sehr lange Einschaltzeiten T+ in der Anlaufphase oder bei sehr niedrigen Eingangsspannungen zu vermeiden, kann die Einschaltzeit t12 auf einen Maximalwert begrenzt werden, welcher von der Steuerschaltung 7 über den optionalen Eingangsanschluss 10 empfangen wird.

[0038] In dem in Fig. 1 gezeigten Schaltregler 1 wird die Abgabeleistung durch die Wahl der Periodenlänge T der Schaltzyklen bestimmt bzw. gesteuert. Es ist auch möglich, den von dem Schaltregler 1 tatsächlich abgegebenen mittleren Strom ILeo av mittels einem Messwiderstand und/oder einer an die Spule L angekoppelten Hilfswicklung zu ermitteln, eine Abweichung zwischen dem durch den Sollwert vorgegebenen mittleren Strom und dem tatsächlich abgegebenen mittleren Strom ILeo av Zu bestimmen, und die Periodenlänge T zu ändern, um die Abweichung auszugleichen.

[0039] Die Steuerschaltung 7 kann eine integrierte Halbleiterschaltung sein oder eine integrierte Halbleiterschaltung umfassen. Die Steuerschaltung 7 kann als ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Controller, ein Mikrocontroller oder eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC, „Application Specific Integrated Circuit“) oder als eine Kombination der genannten Einheiten ausgestaltet sein.

[0040] Die vorliegende Erfindung kann bei allen Schaltreglern vorteilhaft angewendet werden, bei denen im diskontinuierlichen Betrieb eine Anderung des mittleren Abgabestroms iLep av auf Grund einer ungewünschten Anderung der Einschaltzeitdauer t; vermieden werden soll.

[0041] In der in Fig. 3 gezeigten Schaltung ist der Schaltregler 1 ein Aufwärtswandler, bei dem die Abgabeleistung von der Steuerschaltung 7 geregelt wird. Die abzugebende Leistung kann vom Hersteller vorgegeben und in der Steuerschaltung 7 gespeichert sein oder von einem von der Steuerschaltung 7 empfangenen Signal angezeigt werden.

[0042] Für die Regelung erfasst die Steuerschaltung 7 mittels einem zweiten Messwiderstand R+ den an den Ausgangsanschlüssen 4 und 5 abgegebenen mittleren Strom i_:o av, vergleicht diesen mit dem der abzugebenden Leistung entsprechenden Strom iLeo av, setzt/ändert die Periodendauer T der Schaltzyklen entsprechend dem Vergleichsergebnis und schaltet den Schalter S nach dem Ablauf der Periodendauer T wieder ein. Der nach dem Einschalten des Schalters S

ansteigende Strom i_ durch die Spule L wird mittels dem Messwiderstand R von der Steuerschaltung 7 erfasst, die den Schalter S wieder ausschaltet, wenn der Strom i. durch die Spule L den Abschaltschwellenwert ipk erreicht.

Claims

Ansprüche

1. Schaltregler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln (6), aufweisend

eine Steuerschaltung (7), die dazu ausgelegt ist, mittels Ansteuerung eines mit einer Spule (L) gekoppelten Schalters (S) den Schaltregler (1) in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben, und

Mittel (R) zum direkten oder indirekten Erfassen des durch die Spule (L) fließenden Stroms (i_) und zur Zuführung eines diesen Strom (i_) wiedergebenden ersten Signals an die Steuerschaltung (7), dadurch gekennzeichnet, dass

die Steuerschaltung (7) dazu ausgelegt ist, - den Schalter (S) auszuschalten, wenn das erste Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle (ipk) erreicht hat, und - den Wiedereinschaltzeitpunkt des Schalters (S) auf Grundlage einer vorgegebenen Abgabeleistung des Schaltreglers zugeordneten Zeitspanne (T) zwischen zwei Wiedereinschaltzeitpunkten zu bestimmen.

2, Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (7) dazu ausgelegt ist, die Abschaltschwelle (ip) und/oder die Zeitspanne (T) in Abhängigkeit von einem empfangenen Dimmsignal zu ändern.

3. Schaltregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (7) dazu ausgelegt ist, die Abschaltschwelle (ip) und/oder die Zeitspanne (T) entsprechend einer Funktion oder einer Tabelle, welche jedem Wert des empfangenen Dimmsignals eine Abschaltschwelle (ipk) bzw. die Zeitspanne (T) zuordnet, zu setzen.

4. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend

Mittel (Rı) zum direkten oder indirekten Erfassen des von dem Schaltregler (1) abgegebenen und durch das oder die Leuchtmittel (6) fließenden Stroms oder der an das oder die Leuchtmittel (6) abgegebenen Spannung und zur Zuführung eines diesen Strom oder die Spannung wiedergebenden zweiten Signals an die Steuerschaltung (7), wobei

die Steuerschaltung (7) dazu ausgelegt ist, für eine Regelung der Abgabeleistung eine Abweichung der von dem Schaltregler (1) abgegebenen Leistung von der vorgegebenen Abgabeleistung auf Grundlage des zweiten Signals zu bestimmen und zumindest die Zeitspanne (T) entsprechend der bestimmten Abweichung zu ändern, um der Abweichung entgegenzuwirken.

5. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltregler (1) ein Invers-, Aufwärts- oder Sperrwandler ist.

6. Betriebsgerät für Leuchtdioden, aufweisend einen Schaltregler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Verfahren zum Steuern eines im diskontinuierlichen Betriebsmodus betriebenen Schaltreglers für den Betrieb von einem oder mehreren Leuchtmitteln, aufweisend die folgenden Schritte:

- Ansteuern eines mit einer Spule (L) gekoppelten Schalters (S) des Schaltreglers (1), und - Erfassen des durch die Spule (L) fließenden Stroms und Erzeugen eines diesen Strom wiedergebenden Signals (ISNS), wobei der Schalter (S) ausgeschaltet wird, wenn das Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle (ipk) erreicht hat,

dadurch gekennzeichnet, dass

- der Schalter (S) ausgeschaltet wird, wenn das erste Signal anzeigt, dass der Strom eine Abschaltschwelle (ipk) erreicht hat, und

- den Wiedereinschaltzeitpunkt des Schalters (S) auf Grundlage einer vorgegebenen Abga-

beleistung des Schaltreglers zugeordneten Zeitspanne zwischen zwei Wiedereinschaltzeitpunkten bestimmt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen