AT512118B1 - 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 (L1). Schaltet nun der aktive Schalter (S) ab, so baut sich die in der Spule (L1) gespeicherte Energie über die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b) bis (Dmb) und den Kondensator (C), der dabei nachgeladen wird, ab. Die erste Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a) bis (Dna) ist immer vom Strom durch die zweite Spule (L2) durchflossen. Bei eingeschaltetem aktivem Schalter (S) wird dabei Energie aus dem Kondensator entnommen. Der Strom beider Spulen (L1, 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 (D1b) bis (Dmb). Das Stellglied kann durch gekoppelte Spulen an das Betriebsspannungsniveau zusätzlich angepasst werden.

Description

österreichisches Patentamt AT512118B1 2013-09-15

Beschreibung

STELLGLIED MIT EINGESCHRÄNKTEM TASTVERHALTNIS ZUR ANSTEUERUNG VON LICHTEMITTIERENDEN DIODEN

[0001] Die Erfindung betrifft Stellglieder zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (L1), einem Kondensator (C) und einer zweiten Spule (L2), einem aktiven Schalter (S), dessen positiver Anschluss an den Zusammenschluss zwischen erster Spule (L1) und Kondensator (C) geschaltet ist, wobei die erste Spule (L1) in Serie mit dem aktiven Schalter (S) geschaltet ist und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U) über eine positive (P) und eine negative (N) Eingangsklemme angeschlossen wird, einer ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna), einer zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, .. .Dnb), wobei eine Kathode dieser Dioden (D1b,.. .Dmb) an die positive Eingangsklemme geschaltet ist, oder bestehend aus zwei in Serie geschalteten, magnetisch gekoppelten Windungen oder zwei Teilwicklungen mit Anzapfung (N1, N2), einer ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna), einer zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b,.. .Dmb), einer mit dem ersten Anschluss der ersten Teilwicklung (N1) verbundenen positiven (P) und einer negativen (N) Eingangsklemme, einem aktiven Schalter (S), einem Kondensator (C) und einer Spule (L2).

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] In US 2011068703 A1 (MCKINNEY, S.) wird eine LED Ansteuerstufe gezeigt, die einen Konverter mit einem weiten Spannungsübersetzungsverhältnis verwendet. Topologisch und im Spannungsübersetzungsverhältnis unterscheidet sich die Schaltung deutlich von der gegenständlichen Schaltungsstruktur. Es wird behauptet, dass die erste Induktivität im diskontinuierlichen Betrieb arbeitet, die zweite Induktivität jedoch im kontinuierlichen Betrieb. Um das zu erreichen, wird der mögliche starke Spannungsreduktionsfaktor der Schaltung genutzt. Prinzipiell ist es dadurch möglich, da ein Brückengleichrichter vorgeschaltet ist, gleichzeitig eine Leistungsfaktorkorrektur zu erzielen. Man muss aber die zweite Induktivität und/oder den Ausgangskondensator entsprechend groß machen, wenn zu starke Schwankungen des letztlich abgegebenen Lichtes zu vermeiden sind. Trotz der hochfrequenten Taktung des Konverters ist, bedingt durch die Speisung aus einem Einphasennetz, der Energiefluss aus dem Netz mit 100 Hz schwankend.

[0005] Man erkennt auch den Unterschied der beiden Schaltungen, wenn man von den Grundstrukturen die Spannungsübersetzungsverhältnisse näherungsweise berechnet. Mit dem Tastverhältnis D, der Eingangsspannung U1 und der Ausgangsspannung U2 ergibt sich für die 2 1 Γ» 1 Grundschaltung von US 2011068703 A1 ν~υ und für die gegenständliche Schaltung U2 =

2-D-l 1 -D U1-

Man erkennt: im zweiten Fall ist das Tastverhältnis eingeschränkt aufwerte 1 /6 österreichisches Patentamt AT512118B1 2013-09-15 größer gleich null Komma fünf.

[0006] CN 102170732 A (WEI QICUI) zeigt einen Durchflusswandler als Leuchtdiodenansteue-rung. Bei dieser Schaltung ist anzumerken, dass der verwendete Transformator nicht entmagnetisieren kann. Daher ist eine Schutzbeschaltung des Transistors notwendig, an der die Magnetisierungsenergie abgebaut werden kann. Dies führt zu zusätzlichen Verlusten. Das Dokument zeigt auch eine Abwandlung ohne galvanische Trennung.

[0007] US 2008/0224629 A1 (MELANSON, J.L.) zeigt LED Lampensteuerungen mit Leistungsfaktorkorrektoren (PFC). Als Topologie wird dazu der klassische Boost Konverter, der Cuk Konverter und der auch in US 2011068701 A1 gezeigte verwendet. Das Konzept mit Boost PFC eignet sich gut bei relativ niedrigen Netzspannungen, wie sie in den USA gebräuchlich sind, die anderen Topologien sind flexibler.

[0008] US 2006012997 A1 (CATALANO, A. et al.) zeigt Lampen, die lichtemittierende Dioden als Ersatz von Glüh- oder Flalogenbirnen verwenden. Der Schwerpunkt der Beschreibung liegt in der Anordnung der LEDs. Als Konverter dient wieder ein Hochsetzsteller bzw. ein Cuk Konverter.

[0009] Zusammenfassend kann man sagen, dass als Konverter für LED Anwendungen klassische Strukturen wie der Hochsetzer oder der Cuk Konverter verwendet werden, die hier vorgeschlagene Vorrichtung zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden jedoch nicht verwendet wird und diese auch einige interessante Aspekte bietet. Topologisch bzw. im Übersetzungsverhältnis unterscheidet sich die Schaltung deutlich von den anderen. Die Verwendung von zwei gekoppelten Spulen an statt einer wird zwar in CN 102170732 A auch gezeigt, bietet aber bei der gegenständlichen Topologie für bestimmte Anwendungen Vorteile. Durch die Nutzung der Freilaufdioden zur Lichterzeugung wird die Schaltung zusätzlich effizienter, da bei der verwendeten Topologie ein Teil des Stroms in den Spulen auch wieder in die Quelle rückgespeist wird.

[0010] Im Folgenden werden einige Möglichkeiten für Pulsstellglieder besprochen.

[0011] Die Erfindung wird an Hand der Figuren erklärt.

[0012] Figur 1 zeigt die Grundstruktur, [0013] Fig. 2 und Fig. 3 Abwandlungen mit einem Spartransformator (zwei galvanisch verbun dene, magnetisch gekoppelte Wicklungen).

[0014] 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 (L1). Schaltet nun der aktive Schalter (S) ab, so baut sich die in der Spule (L1) gespeicherte Energie über die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b) bis (Dmb) und den Kondensator (C), der dabei nachgeladen wird, ab. Die erste Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a) 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 (L1, L2) überlagert sich im aktivem Schalter (S). Wird der aktive Schalter (S) ausgeschaltet, so kommutieren die Spulenströme in die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b) bis (Dmb).

[0015] Figur 2 zeigt den Konverter gemäß Fig. 1 mit einem spannungsherabsetzenden, Fig. 3 mit einem spannungshinaufsetzenden Spartransformator.

[0016] 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.

[0017] Durch Einbau von Kondensatoren kann die störende Beeinflussung durch die Streuin- 2/6 österreichisches Patentamt AT512118B1 2013-09-15 duktivität, verursacht durch den Aufbau (Zuleitungsinduktivität), vermieden werden. Durch Parallelschaltung von Kondensatoren parallel zu den Leuchtdioden kann der Strom durch diese geglättet werden. Besonders wenn in der zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b) bis (Dmb) die Leuchtdioden mit einem Kondensator überbrückt sind und die normale Diode (typisch eine Schottky Diode) nicht, so ergibt sich eine interessante Schaltung.

[0018] 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.

[0019] 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 zuführen.

[0020] 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 die erste Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna) geschaltet ist, wobei die Kathoden dieser ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna) von der negativen Eingangsklemme (N) wegzeigen und die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, ..Dmb) an den Verbindungspunkt zwischen zweiter Spule (L2) und Kondensator (C) und der positiven Eingangsklemme (P) geschaltet ist, oder dass an die Anzapfung bzw. an den Verbindungspunkt der beiden Teilwicklungen (N1, 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 die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, ..Dmb) geschaltet ist, wobei die Kathode der letzten dieser Dioden (Dmb) an den Wicklungsanfang der ersten Teilwicklung (N1) geschaltet ist und andererseits die Spule (L2) und die erste Serienschaltung von Dioden, Leuchtdioden (D1a, ..Dna) zur negativen Eingangsklemme (N) geschaltet ist, oder dass an die Anzapfung bzw. an den Verbindungspunkt der beiden Teilwicklungen (N1, N2) die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, ..Dmb) geschaltet ist, wobei die Anode der ersten dieser Dioden (D1b) an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C), dessen anderer Anschluss an den zweiten Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2) geschaltet ist und der Serienschaltung der Spule (L2) und der ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna) geschaltet ist, deren anderer Anschluss mit der negativen Eingangsklemme (N) verbunden ist.

[0021] Es gilt weiter, dass in jeder Serienschaltung von Dioden höchstens eine nicht lichtemit-tierende Diode geschaltet ist. Parallel zu Eingangsspannung, bzw. parallel zur ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, Dna), bzw. parallel zu einem Teil der zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, Dmb) kann jeweils ein weiterer Kondensator zu Glättungszwecken geschaltet sein.

[0022] Die Lichtemission kann über den Spitzenstrom durch den aktiven Schalter und/oder über die Schaltfrequenz des aktiven Schalters gestellt werden. 3/6

Claims (8)

1. österreichisches pstentamt AT512118B1 2013-09-15 Patentansprüche 1. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (L1), einem Kondensator (C) und einer zweiten Spule (L2), einem aktiven Schalter (S), dessen positiver Anschluss an den Zusammenschluss zwischen erster Spule (L1) und Kondensator (C) geschaltet ist, wobei die erste Spule (L1) in Serie mit dem aktiven Schalter (S) geschaltet ist und an dieser Serienschaltung die Eingangsspannung (U) über eine positive (P) und eine negative (N) Eingangsklemme angeschlossen wird, einer ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna), einer zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b,.. .Dmb), wobei eine Kathode dieser Dioden (D1b,.. .Dmb) an die positive Eingangsklemme geschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) und der negativen Eingangsklemme die erste Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna) geschaltet ist, wobei die Kathoden dieser ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna) von der negativen Eingangsklemme (N) wegzeigen und die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, ..Dmb) an den Verbindungspunkt zwischen zweiter Spule (L2) und Kondensator (C) und der positiven Eingangsklemme (P) geschaltet ist.
2. 2. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden, bestehend aus zwei in Serie geschalteten, magnetisch gekoppelten Windungen oder zwei Teilwicklungen mit Anzapfung (N1, N2), einer ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna), einer zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, .. .Dmb), einer mit dem ersten Anschluss der ersten Teilwicklung (N1) verbundenen positiven (P) und einer negativen (N) Eingangsklemme, einem aktiven Schalter (S), einem Kondensator (C) und einer Spule (L2) dadurch gekennzeichnet, dass an die Anzapfung bzw. an den Verbindungspunkt der beiden Teilwicklungen (N1, 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 die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, ..Dmb) geschaltet ist, wobei die Kathode der letzten dieser Dioden (Dmb) an den Wicklungsanfang der ersten Teilwicklung (N1) geschaltet ist und andererseits die Spule (L2) und die erste Serienschaltung von Dioden, Leuchtdioden (D1a, ..Dna) zur negativen Eingangsklemme (N) geschaltet ist.
3. 3. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden, bestehend aus zwei in Serie geschalteten, magnetisch gekoppelten Windungen oder zwei Teilwicklungen mit Anzapfung (N1, N2), einer ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, ..Dna), einer zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b,.. .Dmb), einer mit dem ersten Anschluss der ersten Teilwicklung (N1) verbundenen positiven (P) und einer negativen (N) Eingangsklemme, einem aktiven Schalter (S), einem Kondensator (C) und einer Spule (L2) dadurch gekennzeichnet, dass an die Anzapfung bzw. an den Verbindungspunkt der beiden Teilwicklungen (N1, N2) die zweite Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, ..Dmb) geschaltet ist, wobei die Anode der ersten dieser Dioden (D1b) an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C), dessen anderer Anschluss an den zweiten Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2) geschaltet ist und der Serienschaltung der Spule (L2) und der ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, Dna) geschaltet ist, deren anderer Anschluss mit der negativen Eingangsklemme (N) verbunden ist.
4. 4. 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.
5. 5. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1,2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu Eingangsspannung ein Kondensator geschaltet ist. 4/6 österreichisches Patentamt AT512118B1 2013-09-15
6. 6. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1,2,3,4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur ersten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1a, Dna) ein weiterer Kondensator geschaltet ist.
7. 7. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu einem Teil der zweiten Serienschaltung von Dioden und Leuchtdioden (D1b, Dmb) ein weiterer Kondensator geschaltet ist.
8. 8. Stellglied zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemission über den Spitzenstrom durch den aktiven Schalter und/oder über die Schaltfrequenz des aktiven Schalters gestellt wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 5/6