AT514028A1

AT514028A1 - Optotreiberstufen mit raschem Stromanstieg in den lichtemittierenden Bauteilen

Info

Publication number: AT514028A1
Application number: ATA178/2013A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-15
Also published as: AT514028B1

Abstract

Um einen Konverter mit dem man kurze Stromimpulse in eine Last einprägen kann zu gewinnen, verwendet man einen beliebigen DC/DC Konverter, bei dem keine Spule an eine der Ausgangsklemmen angeschlossen ist. Der den Ausgangsklemmen parallelliegende Kondensator wird entfernt und die liehtemittierende Diode (LD) oder die Serienschaltung von liehtemittierenden Dioden (LD) wird zwischen die Ausgangsklemmen geschaltet. Es ist auch möglich, die Diode (D) am Ausgang des Konverters durch einen Kurzschluss zu ersetzen. Die Sperrfähigkeit der liehtemittierende Diode (LD) oder der Serienschaltung von liehtemittierenden Dioden (LD) wird dann genutzt.

Description

Op totreib erstufen mit raschem Stromanstieg in den lichtemittierenden Bauteilen

Die Erfindung betrifft Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer Spule (L) und eines aktiven Schalters (S), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist und einer Serienschaltung einer Diode (D) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD), und Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer Spule (L) und eines aktiven Schalters (S), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist und einer lichtemittierenden Diode oder mehrere in Serie geschaltete lichtemittierende Dioden (LD), und Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (LI), eines Kondensators (C) und einer zweiten Spule (L2), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist, einem aktiven Schalter (S), der parallel zur Serienschaltung von erster Spule (LI) und Kondensator (C) oder parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule (L2) geschaltet ist und einer Serienschaltung einer Diode (D) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD), und Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (LI), eines Kondensators (C) und einer zweiten Spule (L2), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist, einem aktiven Schalter (S), der parallel zur Serienschaltung von erster Spule (LI) und Kondensator (C) oder parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule (L2) geschaltet ist, einer lichtemittierenden Diode oder mehrere in Serie geschaltete lichtemittierende Dioden (LD) und Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (LI), eines Kondensators (C) und einer zweiten Spule (L2), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist, einem aktiven Schalter (S) und einer lichtemittierenden Diode oder mehrere in Serie geschaltete lichtemittierende Dioden (LD) und einer Diode (D), die antiparallel zur Serienschaltung von erster Spule (LI) und Kondensator (C) geschaltet ist, und Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten (Dl) und einer zweiten (D2) Diode, wobei an die Kathode der zweiten Diode (D2) die positive Eingangsklemme des Konverters und der erste Anschluss der ersten Spule (LI) geschaltet ist, an den zweiten Anschluss der ersten Spule (LI) ist sowohl der positive Anschluss des aktiven Schalters (S) und der erste Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, der zweite Anschluss des Kondensators (C) ist an die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet, der negative Anschluss des aktiven Schalters ist an den ersten P104/fh/20130305 2/14 1

Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet, der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) ist an die Anode der ersten Diode (Dl) geschaltet, der negative Anschuss der Eingangsspannung (Ul) ist entweder an die Anode der ersten Diode (Dl) oder an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (S) und einer Serienschaltung einer dritten Diode (D3) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD).

Die Fortschritte in der Entwicklung von lichtemittierenden Dioden (LED) im UV-Bereich führen zu immer neuen Anwendungsgebieten in der Elektromedizin (Blaulichttherapie, Pilz-und Milbenbekämpfung) und in der Desinfektion (von Oberflächen und Flüssigkeiten). Unter lichtemittierender Diode werden in diesem Dokument also nicht nur solche für das sichtbare Licht verstanden sondern, entsprechend z.B. der Bezeichnung UV-Licht, auch solche für unsichtbares. Weiters wird unter lichtemittierenden Dioden auch Laserdioden verstanden.

Untersuchungen in der Biologie zeigen eine erhöhte Wirksamkeit bei rasch ansteigendem Lichtstrom. Es stellt sich daher die Frage: welche Konverter zur Ansteuerung erfüllen die Aufgabe aus einer Gleichspannungsversorgung schnell ansteigende Lichtimpulse zu generieren. Prinzipiell benötigt man zur Ansteuerung DC/DC Konverter. Bedingt durch die andere Aufgabenstellung sind diese jedoch abzuwandeln um rasche Stromflanken in der Last zu erzeugen. Im Folgenden wird der Vorschlag gemacht, Konverterstrukturen, die keine Induktivität in Serie zur Ausgangsklemme aufweisen, zu verwenden, bei denen man den Glättungskondensator am Ausgang entfernt. An die Ausgangsklemmen wird direkt die LED oder eine Serienschaltung von mehreren LED geschaltet. Man erreicht damit, dass die LED oder eine Serienschaltung von mehreren LED innerhalb der Schaltperiode (Kehrwert der Schaltfrequenz) eine gewisse Zeit (abhängig von der Einschaltdauer des aktiven Schalters des Konverters) stromdurchflossen ist und daher Strahlung abgibt. Konverterschaltungen haben neben aktiven Schaltern auch mindestens einen passiven Schalter (Diode), der nach Abschalten des aktiven Schalters den Strom durch die Spulen übernimmt. Da die auftretenden Spannungen bei der gegenständlichen Anwendung gering sind, kann es unter Umständen auch möglich sein (hängt von der Geschwindigkeit des Aufbaus der Sperrfahigkeit der lichtemittierenden Diode ab), keine Diode in Serie zu den Leuchtdioden zu verwenden (bei fast allen hier behandelten Schaltungen ist die Diode in Serie mit den Leuchtdioden geschaltet), sondern nur Leuchtdioden.

Der Strom durch die Leuchtdioden ist dreieck- oder trapezförmig, je nach dem, ob der Konverter im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Betrieb betrieben wird. Es erscheint auch sinnvoll, weil einfach, das System auf den Maximalstrom zu regeln. Dazu misst man den P104/fh/20130305 3/14 2

Strom durch den aktiven Schalter, wenn dieser den gewünschten Wert erreicht, wird der aktive Schalter abgeschaltet und der Strom kommutiert in die Diode bzw. in die lichtemittierenden Dioden. Das neuerliche Einschalten erfolgt dann gemäß einer vorgegeben Schaltfrequenz oder nach Abklingen des Stroms durch die Leuchtdioden auf einen bestimmten Wert.

Man kann auch einen Burstbetrieb erzielen, indem das Pulsen nur innerhalb einer bestimmten Zeit der Burstperiode erfolgt.

Die Figuren Fig. 1 bis Fig. 9 zeigen Konverterstrukturen für die Erzeugung von rasch ansteigenden und, wenn der Konverter im kontinuierlichen Betrieb gefahren wird, auch rasch abfallenden Lichtpulsen. Alle Schaltungen sind beispielhaft mit einem MOSFET als aktiven Schalter gezeichnet. Die Eingangsspannung ist positiv. Möchte man die Schaltungen mit einer negativen Spannung versorgen, so muss die Polarität von Schalter und allen Dioden umgekehrt werden. Fig. 10 skizziert den kontinuierlichen, Fig. 11 den diskontinuierlichen Betrieb der Spule und die entsprechende Form des Stroms durch die LED bei den Schaltungen gemäß Fig. 1 bis Fig. 5.

Fig. 1 ist eine Ableitung aus einem Hochsetzsteller, die Figuren Fig. 2 und Fig. 3 aus einem Tiefsetzsteller, Fig. 4 aus einem Sepik Konverter. Die Figuren Fig. 5 und Fig. 6 sind Abwandlungen von eher exotischen Konvertern mit beschränktem Tastverhältnis. Aber auch diese erfüllen die gewünschte Aufgabe. Fig. 7 zeigt die Ableitung aus einem quadratischen Hoch-Tiefsetzsteller, Fig. 8 aus einem kombinierten Tief-Hoch-Tiefsetzsteller und Fig. 9 aus einem Sperrwandler. Man erkennt, es gibt viele Möglichkeiten der Realisierung.

Es ist möglich ganz allgemein ein Verfahren anzugeben, mit dem man einfach einen Konverter realisieren kann, mit dem man kurze Stromimpulse in eine Last einprägen kann. Ausgangspunkt ist ein beliebiger DC/DC Konverter, bei dem keine Spule an eine der Ausgangsklemmen angeschlossen ist. Der den Ausgangsklemmen parallel liegende Kondensator wird entfernt und die lichtemittierende Diode oder die Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden wird zwischen die Ausgangsklemmen geschaltet. Es sei auch daraufhingewiesen, dass es möglich ist die Sperrfähigkeit der LED zu nutzen und daher meist eine Diode der originalen Struktur durch einen Kurzschluss zu ersetzen.

Die Abgabe des Lichtpulses erfolgt so innerhalb einer gewissen Zeit (abhängig vom Tastverhältnis) jeder Schaltperiode. Um einen kompakten Aufbau zu erzielen, muss die Schaltfrequenz hoch gewählt werden. Die Speicherelemente eines Konverters werden typischerweise umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz kleiner. Es kann aber P104/fh/20130305 4/14 3 wünschenswert sein mit einer niedrigeren Frequenz zu pulsen. In diesem Fall wird die Ansteuerung des Konverters (der am einfachsten mit einer Zweipunktregelung mit Hysterese arbeitet) über ein Freigabesignal niedrigerer Frequenz und. vorgebbarem Tastverhältnis ausgelöst. Die Wahl der überlagerten Arbeitsfrequenz wird entsprechend der Anwendung einzustellen sein. Aus der Sicht des Konverters hat die Pulsung sowohl der Last als auch des Konverters thermische Vorteile, die sich bei der Auslegung der erforderlichen Kühlung auswirken. Dadurch dass die lichtemittierenden Dioden nur einen Teil der Taktperiode unter Strom sind, kann kurzfristig ein höherer Strom durch die Last fließen und die augenblickliche Lichtstärke erhöht werden. Dies ist besonders bei der Anwendung von UV Licht bei der Desinfektion günstig.

Die Realisierung des Steuergeräts kann analog, digital oder gemischt analog-digital erfolgen. Die Stromversorgung im medizinischen Bereich kann z. B. über Batterien, Akkumulatoren und Supercaps erfolgen. Die erforderliche elektrische Leistung ist abhängig davon, wie viele LED verwendet werden.

Die Aufgabe, kurze Lichtimpulse mit steilen Flanken zu erzeugen, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass die Serienschaltung der Diode (D) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD) parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule (L2) geschaltet ist oder parallel zur zweiten Spule (L2) geschaltet ist oder, dass die lichtemittierende Diode oder die in Serie geschalteten lichtemittierenden Dioden (LD) parallel zum aktiven Schalter (S) oder parallel zur Spule (L) geschaltet ist/sind, oder dass die Serienschaltung der Diode (D) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD) parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule (L2) geschaltet ist oder parallel zur zweiten Spule (L2) geschaltet ist, oder dass die lichtemittierende Diode oder die in Serie geschalteten lichtemittierenden Dioden (LD) parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule (L2) geschaltet ist/sind oder parallel zur zweiten Spule (L2) geschaltet ist/sind, oder dass die lichtemittierende Diode oder die in Serie geschalteten lichtemittierenden Dioden (LD) in Serie zum aktiven Schalter (S) geschaltet ist/sind und diese Serienschaltung parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule geschaltet ist, oder dass die Serienschaltung der dritten Diode (D3) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD) parallel zur zweiten Spule geschaltet ist/sind. Weiters kann man parallel zur Eingangsspannung (Ul) einen Kondensator schalten. Es gilt sinnvollerweise, dass die Einschaltzeit des aktiven Schalters mit einem Komparator bei Überschreiten eines vorgegebenen Stroms beendet wird und der Pulsbeginn durch einen Taktgeber gestartet wird, oder dass die Einschaltzeit des aktiven Schalters mit einem Komparator bei Überschreiten P104/fh/20130305 5/14 4 eines vorgegebenen Stroms beendet wird und der Pulsbeginn bei Unterschreiten des Stroms durch eine lichtemittierende Diode wieder über einen Komparator gestartet wird. Weiters, dass die Freigabe der Pulse über eine Vorrichtung die durch ein zusätzliches niederfrequentes Freigabesignal mit einstellbarer Frequenz und Tastverhältnis angesteuert wird, erfolgt. P104/fh/20130305 6/14 5

Claims

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··· ·· • · ··· ·· ·· Patentansprüche 1. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer Spule (L) und eines aktiven Schalters (S), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist und einer Serienschaltung einer Diode (D) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD) dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung der Diode (D) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD) parallel zum aktiven Schalter (S) oder parallel zur Spule (L) geschaltet ist.
2. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer Spule (L) und eines aktiven Schalters (S), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist und einer lichtemittierenden Diode oder mehrere in Serie geschaltete lichtemittierende Dioden (LD) dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Diode oder die in Serie geschalteten lichtemittierenden Dioden (LD) parallel zum aktiven Schalter (S) oder parallel zur Spule (L) geschaltet ist/sind.
3. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (LI), eines Kondensators (C) und einer zweiten Spule (L2), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist, einem aktiven Schalter (S), der parallel zur Serienschaltung von erster Spule (LI) und Kondensator (C) oder parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule (L2) geschaltet ist und einer Serienschaltung einer Diode (D) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD) dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung der Diode (D) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD) parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule (L2) geschaltet ist oder parallel zur zweiten Spule (L2) geschaltet ist.
4. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (LI), eines Kondensators (C) und einer zweiten Spule (L2), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist, einem aktiven Schalter (S), der parallel zur Serienschaltung von erster Spule (LI) und Kondensator (C) oder parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule (L2) geschaltet ist, einer lichtemittierenden Diode oder mehrere in Serie geschaltete lichtemittierende Dioden (LD) dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Diode oder die in Serie geschalteten lichtemittierenden Dioden (LD) parallel zur Serienschaltung von P104/fh/20130305 7/14 6 Kondensator (C) und zweiter Spule (L2) geschaltet ist/sind oder parallel zur zweiten Spule (L2) geschaltet ist/sind.
5. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten Spule (LI), eines Kondensators (C) und einer zweiten Spule (L2), die parallel zu einer Eingangsgleichspannung (Ul) geschaltet ist, einem aktiven Schalter (S) und einer lichtemittierenden Diode oder mehrere in Serie geschaltete lichtemittierende Dioden (LD) und einer Diode (D), die antiparallel zur Serienschaltung von erster Spule (LI) und Kondensator (C) geschaltet ist dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Diode oder die in Serie geschalteten lichtemittierenden Dioden (LD) in Serie zum aktiven Schalter (S) geschaltet ist/sind und diese Serienschaltung parallel zur Serienschaltung von Kondensator (C) und zweiter Spule geschaltet ist.
6. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer Serienschaltung einer ersten (Dl) und einer zweiten (D2) Diode, wobei an die Kathode der zweiten Diode (D2) die positive Eingangsklemme des Konverters und der erste Anschluss der ersten Spule (LI) geschaltet ist, an den zweiten Anschluss der ersten Spule (LI) ist sowohl der positive Anschluss des aktiven Schalters (S) und der erste Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, der zweite Anschluss des Kondensators (C) ist an die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet, der negative Anschluss des aktiven Schalters ist an den ersten Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet, der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) ist an die Anode der ersten Diode (Dl) geschaltet, der negative Anschuss der Eingangsspannung (Ul) ist entweder an die Anode der ersten Diode (Dl) oder an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (S) und einer Serienschaltung einer dritten Diode (D3) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD) dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung der dritten Diode (D3) mit einer oder mehreren lichtemittierenden Diode/n (LD) parallel zur zweiten Spule geschaltet ist/sind.
7. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse gemäß Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Eingangsspannung (Ul) ein Kondensator geschaltet ist.
8. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeit des aktiven Schalters mit einem Komparator bei Überschreiten eines vorgegebenen Stroms beendet wird und der Pulsbeginn durch einen Taktgeber gestartet wird. P104/fh/20130305 8/14 7
9. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeit des aktiven Schalters mit einem Komparator bei Überschreiten eines vorgegebenen Stroms beendet wird und der Pulsbeginn bei Unterschreiten des Stroms durch eine lichtemittierende Diode wieder über einen Komparator gestartet wird.
10. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabe der Pulse über eine Vorrichtung die durch ein zusätzliches niederfrequentes Freigabesignal mit einstellbarer Frequenz und Tastverhältnis angesteuert wird, erfolgt. P104/fh/20130305 9/14 8