AT514028B1

AT514028B1 - Optotreiberstufen mit raschem Stromanstieg in den lichtemittierenden Bauteilen

Info

Publication number: AT514028B1
Application number: ATA178/2013A
Authority: AT
Inventors: Dipl Ing Dr Himmelstoss Felix
Original assignee: Dipl Ing Dr Himmelstoss Felix
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2017-02-15
Also published as: AT514028A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer ersten L1 und einer zweiten Spule L2, einem Kondensator C, einem aktiven Schalter S und einer oder mehreren in Serie geschalteten lichtemittierenden Diode/n LD als Last. Die Aufgabe, kurze Lichtimpulse mit steilen Flanken zu erzeugen, wird dadurch bewerkstelligt, dass die eine lichtemittierende Diode oder die mehreren in Serie geschalteten lichtemittierenden Dioden LD entweder direkt oder in Serie mit einem passiven Schalter (D, D3) parallel zur zweiten Spule L2 oder parallel zu einer Serienschaltung, gebildet aus zweiter Spule L2 und dem Kondensator C, geschaltet ist/sind, ein Anschluss der ersten Spule L1 an den positiven Anschluss der Eingangsspannung U1 geschaltet ist, der zweite Anschluss der ersten Spule L1 an einen Anschluss des Kondensators C geschaltet ist und der negative Anschluss der Eingangsspannung U1 mit einem Anschluss der Last LD verbunden ist.

Description

Beschreibung

OPTOTREIBERSTUFEN MIT RASCHEM STROMANSTIEG IN DEN LICHTEMITTIERENDEN BAUTEILEN

[0001] Die Erfindung betrifft Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer ersten und einer zweiten Spule L2, einem Kondensator C, einem aktiven Schalter S und einer oder mehreren in Serie geschalteten lichtemittierenden Diode/n LD als Last.

[0002] 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.

[0003] 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 Sperrfähigkeit der lichtemittierenden Diode ab), keine Diode in Serie zu den Leuchtdioden zu verwenden (bei allen hier behandelten Schaltungen ist die Diode in Serie mit den Leuchtdioden geschaltet), sondern nur Leuchtdioden.

[0004] 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 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 vorgegebenen Schaltfrequenz oder nach Abklingen des Stroms durch die Leuchtdioden auf einen bestimmten Wert.

[0005] Man kann auch einen Burstbetrieb erzielen, indem das Pulsen der Dioden und daher das Schalten des aktiven Schalters nur innerhalb einer bestimmten Zeit der Burstperiode erfolgt.

[0006] Im Folgenden wird die Patentliteratur gewürdigt.

[0007] WO 2008068682 A1 (NXP B.V.) zeigt den klassischen Boost Konverter bzw. eine Abwandlung davon, bei dem die Last, das sind lichtemittierende Dioden, parallel zu Spule und Diode geschaltet ist. Parallel zur Last ist noch ein Kondensator zur Glättung geschaltet. Dadurch ist es nicht möglich den Strom durch die Dioden zu pulsen.

[0008] US 20080224625 A1 (GREENFELD, F.) zeigt einen Buck Konverter mit synchroner Gleichrichtung. Dadurch werden die Verluste der Konverterschaltung gering gehalten. Auch hier wird parallel zur Last ein Kondensator geschaltet. Durch diese Glättung ist wieder kein pulsförmiger Strom durch die Last möglich. Das gleiche gilt auch für den in dem Dokument dargestell- ten Sepie Konverter.

[0009] EP 1033903 A2 (NOKIA MOBILE PHONES) zeigt Abwandlungen von Buck und Boost Konverter ohne Glättungskondensator. Hier fließt ein pulsförmiger Strom in der Last. Die Konverterschaltungen unterscheiden sich jedoch topologisch deutlich von denen der gegenständlichen Erfindung, die etwas komplexer sind, dadurch aber auch aus der Sicht der Anwendung her für spezielle Anwendung geeignet sind (bedingt durch quadratischen Tastverhältniszusammenhang oder eingeschränktes Tastverhältnis).

[0010] WO 2007126630 A2 (ALLEGRO MICROSYSTEMS INC) zeigt Treiberstufen, bei denen der Mittelwert des Stroms durch die Last geregelt wird. Alle Varianten zeigen einen Kondensator parallel zur Last, der einen pulsförmigen Strom in der Last verunmöglicht.

[0011] WO 2005009086 A1 (KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N.V.) zeigt Konverter, die den Strom in der Last mit der Schaltfrequenz des aktiven Schalters pulsen. Schaltungstechnisch handelt es sich um einen Boost Konverter ohne Ausgangskondensator und unterscheidet sich daher topologisch deutlich von den Konvertern der gegenständlichen Erfindung.

[0012] US 20040124716 A1 (SHIRATO, K.) zeigt eine einfache Treiberstufe mit einem aktiven Schalter gegen Masse. Ist dieser eingeschaltet, so wird die Spule magnetisiert, wird dieser ausgeschaltet, so kommutiert der Strom in die lichtemittierenden Bauteile, die parallel zur Spule geschaltet sind. Man kann die Schaltung als einen abgewandelten Buck Konverter ohne Kondensator interpretieren, der sich daher topologisch deutlich von den Konvertern der gegenständlichen Erfindung unterscheidet.

[0013] In US 20100277077 A1 (PONG, Μ. H.) wird versucht, die Lebensdauer von lichtemittierenden Dioden dadurch zu verbessern, indem bei erhöhter Temperatur die Leistung mittels Konverters gesenkt wird. Als Struktur wird dabei ein Sperrwandler mit Potentialtrennung verwendet. Dieser pulst den Strom in der angeschlossenen Diodenmatrix. Die Konverter der gegenständlichen Erfindung unterscheiden sich topologisch deutlich.

[0014] US 2010254249 A1 (FUJIIE, K.) zeigt eine Quelle zur Erzeugung kurzer Laserpulse. Die hier zu Grunde liegende Schaltung unterscheidet sich topologisch. Es liegt zwar eine Spule parallel zur Laserdiode aber die Pulsung erfolgt nicht so einfach wie bei der gegenständlichen Erfindung direkt über einen einzelnen aktiven Schalter, sondern über eine komplizierte Vorrichtung mit zusätzlichen Impedanzanpassungsgliedern.

[0015] Die Figuren [0016] Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen Konverterstrukturen für die Erzeugung von rasch anstei genden und, wenn der Konverter im kontinuierlichen Betrieb gefahren wird, auch rasch abfallenden Lichtpulsen. Alle Schaltungen sind beispielhaft mit einem MOSFET als aktivem 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.

[0017] Fig. 5 skizziert den kontinuierlichen, [0018] Fig. 6 den diskontinuierlichen Betrieb der Spule und die entsprechende

Form des Stroms durch die LED bei den Schaltungen gemäß Fig. 1 bis Fig. 4.

[0019] Fig. 1 ist eine Ableitung aus einem Sepie Konverter. Die Fig. 2 ist eine Abwandlung eines Konverters mit beschränktem Tastverhältnis. Fig. 3 zeigt die Ableitung aus einem quadratischen Hoch-Tiefsetzsteller, Fig. 4 aus einem quadratischen Tiefsetzsteller.

[0020] 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 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.

[0021] 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.

[0022] Die Aufgabe, kurze Lichtimpulse mit steilen Flanken zu erzeugen, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass die eine lichtemittierende Diode oder die mehreren in Serie geschalteten lichtemittierenden Dioden LD entweder direkt oder in Serie mit einem passiven Schalter (D, D3) parallel zur zweiten Spule L2 oder parallel zu einer Serienschaltung, gebildet aus zweiter Spule L2 und dem Kondensator C, geschaltet ist/sind, ein Anschluss der ersten Spule Li an den positiven Anschluss der Eingangsspannung Ui geschaltet ist, der zweite Anschluss der ersten Spule U an einen Anschluss des Kondensators C geschaltet ist und der negative Anschluss der Eingangsspannung Ui mit einem Anschluss der Last LD verbunden ist.

[0023] Dies kann nun speziell dadurch geschehen, dass der positive Anschluss des aktiven Schalters S an den Verbindungspunkt zwischen erster Spule U und Kondensator C, der negative Anschluss des aktiven Schalters S an den zweiten Anschluss der zweiten Spule L2 und dem negativen Anschluss der Eingangsspannung Ui geschaltet ist, oder dass der positive Anschluss des aktiven Schalters S mit dem positiven Anschluss der Eingangsspannung Ui und der negative Anschluss des aktiven Schalters S mit dem Verbindungspunkt zwischen zweiter Spule L2 und Kondensator C geschaltet ist, oder dass der positive Anschluss des aktiven Schalters S an den Verbindungspunkt zwischen erster Spule Li und Kondensator C, der negative Anschluss des aktiven Schalters (S) an den negativen Anschluss der Eingangsspannung Ui geschaltet ist, an den anderen Anschluss des Kondensators C die Kathode einer ersten Diode und die Anode einer zweiten Diode D2, an deren Kathode der positive Anschluss der Eingangsquelle Ui geschaltet ist, geschaltet ist und an die Anode der ersten Diode Di ein Anschluss der zweiten Spule L2 geschaltet ist, oder dass der positive Anschluss des aktiven Schalters S an den Verbindungspunkt zwischen erster Spule Li und Kondensator C, der negative Anschluss des aktiven Schalters S an die zweite Spule L2 geschaltet ist, an den anderen Anschluss des Kondensators C die Kathode einer ersten Diode und die Anode einer zweiten Diode D2, an deren Kathode der positive Anschluss der Eingangsspannung Ui geschaltet ist, geschaltet ist und an die Anode der ersten Diode Di ein Anschluss der zweiten Spule L2 und der negative Anschluss der Eingangsspannung U! geschaltet ist.

[0024] Zur Vermeidung von Überspannungen ist es sinnvoll, parallel zur Eingangsspannung einen Kondensator zu schalten.

[0025] Einfach ist es, dass die Einschaltzeit des aktiven Schalters S 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 S mit einem Komparator bei Überschreiten eines vorgegebenen Stroms beendet wird und der aktive Schalter bei Unterschreiten des Stroms durch die Last LD wieder über einen Komparator gestartet wird.

[0026] Zusätzlich kann es erforderlich sein, dass die Freigabe der Ansteuerung des aktiven Schalters S über eine Vorrichtung, die durch ein zusätzliches niederfrequentes Freigabesignal mit einstellbarer Frequenz und Tastverhältnis angesteuert wird, erfolgt.

Claims

Patentansprüche

1. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse, bestehend aus einer ersten (L-,) und einer zweiten Spule (L2), einem Kondensator (C), einem aktiven Schalter (S), einer oder mehreren in Serie geschalteten lichtemittierenden Diode/n (LD) als Last, dadurch gekennzeichnet, dass die eine lichtemittierende Diode oder die mehreren in Serie geschalteten lichtemittierenden Dioden (LD) entweder direkt oder in Serie mit einem passiven Schalter (D, D3) parallel zur zweiten Spule (L2) oder parallel zu einer Serienschaltung, gebildet aus zweiter Spule (L2) und dem Kondensator (C), geschaltet ist/sind, ein Anschluss der ersten Spule (Li) an den positiven Anschluss der Eingangsspannung (Ui) geschaltet ist, der zweite Anschluss der ersten Spule (L^ an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist und der negative Anschluss der Eingangsspannung (Ui) mit einem Anschluss der Last (LD) verbunden ist.
2. Konverter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Anschluss des aktiven Schalters (S) an den Verbindungspunkt zwischen erster Spule (L^ und Kondensator (C), der negative Anschluss des aktiven Schalters (S) an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) und den negativen Anschluss der Eingangsspannung (Ui) geschaltet ist und der andere Anschluss des Kondensators (C) mit der zweiten Spule (L2) verbunden ist, oder dass der positive Anschluss des aktiven Schalters (S) mit dem positiven Anschluss der Eingangsspannung (Ui) und der negative Anschluss des aktiven Schalters (S) mit dem Verbindungspunkt zwischen zweiter Spule (L2) und Kondensator (C) geschaltet ist, oder dass der positive Anschluss des aktiven Schalters (S) an den Verbindungspunkt zwischen erster Spule (Li) und Kondensator (C), der negative Anschluss des aktiven Schalters (S) an den negativen Anschluss der Eingangsspannung (Ui) geschaltet ist, an den anderen Anschluss des Kondensators (C) die Kathode einer ersten Diode (D^ und die Anode einer zweiten Diode (D2), an deren Kathode der positive Anschluss der Eingangsquelle (Ui) geschaltet ist, geschaltet ist und an die Anode der ersten Diode (Di) ein Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet ist, oder dass der positive Anschluss des aktiven Schalters (S) an den Verbindungspunkt zwischen erster Spule (Li) und Kondensator (C), der negative Anschluss des aktiven Schalters (S) an die zweite Spule (L2) geschaltet ist, an den anderen Anschluss des Kondensators (C) die Kathode einer ersten Diode (D^ und die Anode einer zweiten Diode (D2), an deren Kathode der positive Anschluss der Eingangsspannung (Ui) geschaltet ist, geschaltet ist und an die Anode der ersten Diode (Di) ein Anschluss der zweiten Spule (L2) und der negative Anschluss der Eingangsspannung (Ui) geschaltet ist.
3. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Eingangsspannung ein Kondensator geschaltet ist.
4. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeit des aktiven Schalters (S) mit einem Komparator bei Überschreiten eines vorgegebenen Stroms beendet wird und der Pulsbeginn durch einen Taktgeber gestartet wird.
5. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeit des aktiven Schalters (S) mit einem Komparator bei Überschreiten eines vorgegebenen Stroms beendet wird und der aktive Schalter bei Unterschreiten des Stroms durch die Last (LD) wieder über einen Komparator gestartet wird.
6. Konverter zur Erzeugung kurzer Lichtpulse gemäß mindestens einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabe der Ansteuerung des aktiven Schalters (S) über eine Vorrichtung, die durch ein zusätzliches niederfrequentes Freigabesignal mit einstellbarer Frequenz und Tastverhältnis angesteuert wird, erfolgt.