AT512118A1 - Stellglied mit eingeschränktem tastverhältnis zur ansteuerung von lichtemittierenden dioden - Google Patents

Abstract

Lichtemittierende Dioden (LED) stellen eine interessante Möglichkeit in der Beleuchtungstechnik dar. Der aktive Schalter (S), beispielhaft als MOSFET gezeichnet, wird über eine Treiberstufe (nicht gezeichnet) angesteuert. Sinnvoll ist dabei, das Abschalten bei einem vorgegebenen Strom durchzuführen. Es eignet sich dazu eine einfache Steuerung in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung. So kann z.B. entsprechend der Eingangsspannung die Einschaltdauer variiert werden und über die Wiederholrate die Beleuchtung verändert (gedimmt) werden. Schaltet man den Transistor (S) ein, so beginnt ein Stromfluss aus der Eingangsspannungsquelle (U) über die erste Spule (LI). Schaltet nun der aktive Schalter (S) ab, so baut sich die in der Spule (LI) gespeicherte Energie über die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb) bis (Dmb) und den Kondensator (C), der dabei nachgeladen wird, ab. Die erste Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia) bis (Dna) ist immer vom Strom durch die zweite Spule (L2) durchflossen. Beieingeschaltetem aktiven Schalter (S) wird dabei Energie aus dem Kondensator entnommen. Der Strom beider Spulen (LI, L2) überlagert sich im aktiven Schalter (S). Wird der aktive Schalter (S) ausgeschaltet, so kornmutieren die Spulenströme in die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb) bis (Dmb). Das Stellglied kann durch gekoppelte Spulen an das Betriebsspannungsniveau zusätzlich angepasst werden.

Description

Stellglied mit eingeschränktem Tastverhältnis zur Ansteuerung von lichtemittierenden

Dioden

Die Erfindung betrifft Stellglieder zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (LI), einem Kondensator (C) und einer zweiten Spule (L2), einem aktiven Schalter (S), dessen positiver Anschluss an den Zusammenschluss zwischen erster Spule (LI) und Kondensator (C) geschaltet ist, wobei die erste Spule (LI) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) geschaltet ist und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U) über eine positive (P) und eine negative (N) Eingangsklemme angeschlossen wird, Dioden und Leuchtdioden (Dia, ..Dna, Dlb,.. .Dmb), bzw. Stellglieder zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden, mit einem Spartransformator (T), bestehend aus zwei in Serie geschalteten, magnetisch gekoppelten Windungen oder zwei Teilwicklungen mit Anzapfung (NI, N2), Dioden und Leuchtdioden (Dia, „Dna, Dlb, ...Dmb), einer positiven (?) und einer negativen (N) Eingangsklemme, einem aktiven Schalter (S), einem Kondensator (C), einem aktiven Schalter (S) und einer Spule (L).

Lichtemittierende Dioden (LED) stellen eine interessante Möglichkeit in der Beleuchtungstechnik dar. Sie haben als Halbleiterelemente eine hohe Lebensdauer, einen hohen Wirkungsgrad und geringe Betriebstemperatur. Die Ansteuerung erfolgt durch leistungselektronische Konverter, die üblicherweise strombegrenzt oder stromgeregelt betrieben werden. Dimmen kann durch Reduktion des Betriebsstroms erfolgen oder auch durch Pulsung. Pulsung hat dabei den Vorteil, dass die LED kurzfristig optimaler betrieben wird. Durch die hochfrequente Taktung kommt es zu einem gleichmäßigen Lichteindruck.

In AT 412.377 B (HIMMELSTOSS) werden hochdynamische veränderbare Stromquellen mit reduziertem, eingeschränktem Tastverhältnis beschrieben. Im Gegensatz dazu werden hier keine strombidirektionalen Schalter verwendet, sondern nur ein aktiver Schalter. Der zweite Schalter wird durch eine Diode oder durch eine Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden ersetzt. Ebenso wird die Last durch eine Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden ersetzt.

Im Folgenden werden einige Möglichkeiten für Pulsstellglieder besprochen.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren erklärt. Figur 1 zeigt die Grundstruktur, Fig. 2 und Fig. 3 Abwandlungen mit einem Spartransformator (zwei galvanisch verbundene, magnetisch gekoppelte Wicklungen). 1 P94/fh/20111017

Figur 1 zeigt die Grundidee. Der aktive Schalter (S), beispielhaft als MOSFET gezeichnet, wird über eine Treiberstufe (nicht gezeichnet) angesteuert. Sinnvoll ist dabei, das Abschalten bei einem vorgegebenen Strom durchzuführen. Es eignet sich dazu eine einfache Steuerung in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung. So kann z,B. entsprechend der Eingangsspannung die Einschaltdauer variiert werden und über die Wiederholrate die Beleuchtung verändert (gedimmt) werden. Schaltet man den Transistor (S) ein, so beginnt ein Stromfluss aus der Eingangsspannungsquelle (U) über die erste Spule (LI). Schaltet nun der aktive Schalter (S) ab, so baut sich die in der Spule (LI) gespeicherte Energie über die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb) bis (Dmb) und den Kondensator (C), der dabei nachgeladen wird, ab. Die erste Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia) bis (Dna) ist immer vom Strom durch die zweite Spule (L2) durchflossen. Bei eingeschaltetem aktiven Schalter (S) wird dabei Energie aus dem Kondensator entnommen. Der Strom beider Spulen (LI, L2) überlagert sich im aktiven Schalter (S). Wird der aktive Schalter (S) ausgeschaltet, so kommutieren die Spulenströme in die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb) bis (Dmb).

Figur 2 zeigt den Konverter gemäß Fig. 1 mit einem spannungsherabsetzenden, Fig. 3 mit einem spannungshinaufsetzenden Spartransformator.

Interessant bei diesem Stellglied ist die Tatsache, dass das Tastverhältnis grösser als 50 % sein muss. Das erleichtert die Funktion von eventuell verwendeten rekuperativen Netzwerken zur Reduktion der Schaltverluste.

Durch Einbau von Kondensatoren kann die störende Beeinflussung durch die Streuinduktivität, verursacht durch den Aufbau (Zuleitungsinduktivität), vermieden werden. Durch Parallelschaltung von Kondensatoren parallel zu den Leuchtdioden kann der Strom durch diese geglättet werden.

Es sei auch hingewiesen, dass der aktive Schalter durch Snubber Netzwerke oder andere soft-switching Maßnahmen erweitert werden kann, um die Verluste zu minimieren und gleichzeitig auch Störungen zu reduzieren.

Die Steuerung und Regelung des Stellglieds erfolgt nach den üblichen Techniken. Besonders geeignet sind dabei Einschaltpulse mit von der Eingangsspannung abhängiger Pulslänge. Das Dimmen erfolgt über die Wiederholrate. Bei diesem Verfahren ist kein sonderlicher messtechnischer Aufwand erforderlich. Die Eingangsspannung lässt sich leicht z.B. über einen einfachen Spannungsteiler der Ansteuerschaltung Zufuhren. 2 P94/fh/20111017

Die Aufgabe, Stellglieder für die Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) und der negativen Eingangsklemme eine erste Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia, ..Dna) geschaltet ist, wobei die Kathoden dieser ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia, ..Dna) von der negativen Eingangsklemme (N) wegzeigen und eine zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb, ..Dmb) an den Verbindungspunkt zwischen zweiter Spule (L2) und Kondensator (C) und der positiven Eingangsklemme (P) geschaltet ist, wobei eine Kathode dieser Dioden an die positive Eingangsklemme geschaltet ist, bzw. an die Anzapfung bzw. an den Verbindungspunkt der beiden Teilwicklungen (NI, N2) der aktive Schalter (S) zur negativen Eingangsklemme geschaltet ist und an das Wicklungsende der zweiten Wicklung (N2) ein Kondensator (C) geschaltet ist, an dessen anderer Seite einerseits eine zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb, ..Dmb) geschaltet ist, wobei die Kathode der ersten dieser Dioden (Dia) an den Wicklungsanfang der ersten Teilwicklung geschaltet ist und andererseits eine Spule (L) und eine erste Serienschaltung von Dioden, Leuchtdioden (Dia, ..Dna) zur negativen Eingangsklemme geschaltet ist, oder an die Anzapfung bzw. an den Verbindungspunkt der beiden Teilwicklungen (NI, N2) eine zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb, ..Dmb) geschaltet ist, wobei die Anode der ersten dieser Dioden (Dia) an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C), dessen anderer Anschluss an den zweiten Anschluss der zweiten Teilwicklung geschaltet ist und der Serienschaltung einer Spule und einer ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia, Dna) geschaltet ist, deren anderer Anschluss mit der negativen Eingangsklemme (N) verbunden ist, wobei in jeder Serienschaltung von Dioden höchstens eine nicht lichtemittierende Diode geschaltet ist.. Eine Vereinfachung kann dadurch erzielt werden, dass die zweite Serienschaltung nur aus einer Diode oder Leuchtdiode besteht.

Parallel zu Eingangsspannung, bzw. parallel zur ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia, Dna), bzw. parallel zu einem Teil der zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb, Dmb) kann jeweils ein weiterer Kondensator zu Glättungszwecken geschaltet sein.

Die Lichtemission kann über den Spitzenstrom durch den aktiven Schalter und/oder über die Schaltfrequenz des aktiven Schalters gestellt werden. 3 P94/fh/20111017

Claims (5)

1. Patentansprüche 1. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (LI), einem Kondensator (C) und einer zweiten Spule (L2), einem aktiven Schalter (S), dessen positiver Anschluss an den Zusammenschluss zwischen erster Spule (LI) und Kondensator (C) geschaltet ist, wobei die erste Spule (LI) in Serie mit einem aktiven Schalter (S) geschaltet ist und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U) über eine positive (P) und eine negative (N) Eingangsklemme angeschlossen wird, Dioden und Leuchtdioden (Dia, ..Dna, Dlb, ...Dnb) dadurch gekennzeichnet, dass an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) und der negativen Eingangsklemme eine erste Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia, ..Dna) geschaltet ist, wobei die Kathoden dieser ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia, ..Dna) von der negativen Eingangsklemme (N) wegzeigen und eine zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb, ..Dnb) an den Verbindungspunkt zwischen zweiter Spule (L2) und Kondensator (C) und der positiven Eingangsklemme (P) geschaltet ist, wobei eine Kathode dieser Dioden an die positive Eingangsklemme geschaltet ist.
2. 2. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden, mit einem Spartransformator (T), bestehend aus zwei in Serie geschalteten, magnetisch gekoppelten Windungen oder zwei Teilwicklungen mit Anzapfung (NI, N2), Dioden und Leuchtdioden (Dia, ..Dna, Dlb, .. .Dnb), einer positiven (P) und einer negativen (N) Eingangsklemme, einem aktiven Schalter (S), einem Kondensator (C), einem aktiven Schalter (S) und einer Spule (L) dadurch gekennzeichnet, dass an die Anzapfung bzw. an den Verbindungspunkt der beiden Teilwicklungen (NI, N2) der aktive Schalter (S) zur negativen Eingangsklemme geschaltet ist und an das Wicklungsende der zweiten Wicklung (N2) ein Kondensator (C) geschaltet ist, an dessen anderer Seite einerseits eine zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb, ..Dnb) geschaltet ist, wobei die Kathode der ersten dieser Dioden (Dia) an den Wicklungsanfang der ersten Teilwicklung geschaltet ist und andererseits eine Spule (L) und eine erste Serienschaltung von Dioden, Leuchtdioden (Dia, ..Dna) zur negativen Eingangsklemme geschaltet ist.
3. 3. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden, mit einem Spartransformator (T), bestehend aus zwei in Serie geschalteten, magnetisch gekoppelten Windungen oder zwei Teil Wicklungen mit Anzapfung (NI, N2), Dioden und Leuchtdioden (Dia, ..Dna, Dlb,. ..Dnb), einer positiven (P) und einer negativen (N) Eingangsklemme,
4. 4 P94/fh/20111017 einem aktiven Schalter (S), einem Kondensator (C), einem aktiven i>chalter*(S) und einer Spule (L) dadurch gekennzeichnet, dass an die Anzapfung bzw. an den Verbindungspunkt der beiden Teilwicklungen (NI, N2) eine zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb, ..Dnb) geschaltet ist, wobei die Anode der ersten dieser Dioden (Dia) an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C), dessen anderer Anschluss an den zweiten Anschluss der zweiten Teilwicklung geschaltet ist und der Serienschaltung einer Spule und einer ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia, Dna) geschaltet ist, deren anderer Anschluss mit der negativen Eingangsklemme (N) verbunden ist. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Serienschaltung von Dioden höchstens eine nicht lichtemittierende Diode geschaltet ist. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Serienschaltung nur aus einer Diode oder Leuchtdiode besteht. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1, 2, 3,4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu Eingangsspannung ein Kondensator geschaltet ist. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1, 2,3,4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dia, Dna) ein weiterer Kondensator geschaltet ist. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1,2,3,4, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu einem Teil der zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (Dlb, Dmb) ein weiterer Kondensator geschaltet ist. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1,2,3, 4, 5, 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemission über den Spitzenstrom durch den aktiven Schalter und/oder über die Schaltfrequenz des aktiven Schalters gestellt wird.
5. 5 P94/fh/20111017