AT516957B1

AT516957B1 - Betriebsschaltung für leuchtdioden und verfahren zum betrieb von leuchtdioden

Info

Publication number: AT516957B1
Application number: ATA9322/2008A
Authority: AT
Inventors: Falk Richter
Original assignee: Tridonic Gmbh & Co Kg
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2016-10-15
Also published as: DE102007049533A1; WO2009049876A3; EP2201821B1; WO2009049876A9; CN101828428A; AT516957A5; DE102007049533B4; WO2009049876A2; EP2201821A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode (7) , aufweisend eine Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung zugeführt wird und mittels einem durch eine Steuereinheit (13) getakteten Schalter (5) eine Versorgungsspannung für die wenigstens eine Leuchtdiode (7) bereitstellt, und einen mit der Steuereinheit (13) verbundenen Stromsensor (6, 12) zum Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode (7) fließenden Stromes während der Einschaltphase (E) des Schalters (5), wobei die Steuereinheit (13) die Zeitdauer (t0ff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) abhängig von dem mittels des Stromsensors (6, 12) während der Einschaltphase (E) erfassten Strom bestimmt, und die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, mittels zumindest eines durch den Stromsensor (6, 12) erfassten Stromwertes den Stromwert (IA) am Ende der Freilaufphase (F) des Schalters (5) zu berechnen, und die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, die Zeitdauer (t0ff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) abhängig von dem Anstieg des mittels des Stromsensors (6, 12) während der Einschaltphase (E) erfassten Strom zu bestimmen, wobei die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, abhängig von dem Anstieg des während der Einschaltphase (E) erfassten Stromes durch den Schalter (5) den Stromwert (IA) am Ende der Freilaufphase (F) des Schalters (5) zu berechnen. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode (7).

Description

Beschreibung

BETRIEBSSCHALTUNG FÜR LEUCHTDIODEN UND VERFAHREN ZUM BETRIEB VON LEUCHTDIODEN

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung und ein Verfahren zum Betrieb von Leuchtdioden mittels Schaltreglern zur Bereitstellung der Betriebsspannung für die LEDs.

[0002] Es ist grundsätzlich bekannt, Schaltregler, insbesondere Tiefsetzsteller (Buck-Konverter) zur Ansteuerung von Leuchtdioden zu verwenden. Dabei steuert eine Steuereinheit einen getakteten Halbleiter-Leistungsschalter an, mittels dessen in dessen eingeschalteten Zustand eine Induktivität energetisiert wird, wobei sich die Energie der Induktivität im ausgeschalteten Zustand des Schalters dann über die Leuchtdiodenstrecke entlädt.

[0003] Aus der US 2007/0097044 AI ist eine Treiberschaltung für Leuchtmittel bekannt, die ein Schalten eines Schalters abhängig von einem LED Strom erlaubt.

[0004] Es kommt somit durch die Leuchtdioden zum einem Zick-Zack-förmigen Stromverlauf um einen konstanten Mittelwert herum, wobei sich im eingeschalteten Zustand des Schalters jeweils eine ansteigende Flanke und im ausgeschalteten Zustand des Schalters eine abfallende Flanke des Leuchtdiodenstroms ergibt.

[0005] Somit kann der zeitliche Mittelwert des Leuchtdiodenstroms durch entsprechende Taktung des Leistungsschalters eingestellt werden. Zur Regelung des Mittelwerts des Leuchtdiodenstroms muss dementsprechend der Strom durch die Leuchtdioden auch erfasst werden.

[0006] In Fig. 1 ist schematisch ein Beispiel für eine Schaltung zum geregelten Betrieb für Leuchtdioden dargestellt. Im hier gezeigten Beispiel gemäß Fig. 1 ist als Grundschaltung für LED-Module ein erster Buck-Konverter 10 dargestellt. Für den Betrieb zumindest einer Leuchtdiode 7 wird der Schaltung eine Eingangs-Gleichspannung Vi zugeführt, die natürlich auch eine gleichgerichtete Wechselspannung sein kann.

[0007] Eine Serienschaltung zwischen einem Schalter 5, beispielsweise einem Halbleiter-Leistungsschalter insbesondere einem MOSFET, und einer Freilaufdiode 2 energetisiert in eingeschaltetem Zustand des Schalters 5 eine Induktivität 3 mittels des durch den Schalter 5 fließenden Stroms. Im ausgeschalteten Zustand des Schalters 5 entlädt sich die in der Induktivität 3 gespeicherte Energie in Form eines Stromes durch die zumindest eine Leuchtdiode 7.

[0008] Der durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 fließende Strom kann an einem Shuntwiderstand 6 durch eine entsprechende Sensorik gemessen werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass an dem Shuntwiderstand 6 der Strom nur während der Einschaltphase des Schalters 5 gemessen werden kann. In der Freilaufphase fließt der Strom durch die Freilaufdiode 2, die zumindest eine Leuchtdiode 7 und die Induktivität 3 und ist für eine am Shuntwiderstand 6 angeschlossene Sensorik nicht detektierbar.

[0009] Um jedoch einen gewissen Rippel, d. h. einen bestimmten zeitlichen Mittelwert des Leuchtdiodenstroms einhalten zu können, wird eine Information auch über den Kurvenverlauf des Stromes während der Freilaufzeit benötigt.

[0010] Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist das Vorsehen eines weiteren Stromsensors, durch welchen der Strom während der Freilaufphase gemessen werden kann. Nachteilig hierbei ist jedoch die aufwändige Schaltung und Sensorik sowie die damit verbundenen Fehlerquellen.

[0011] Eine weitere Möglichkeit ist es, die Elemente der Schaltung so anzuordnen, dass sowohl in der Einschaltphase als auch in der Freilaufphase der Strom detektiert werden 10 kann. Allerdings ist eine solche Schaltung sehr aufwändig.

[0012] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode sowie ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode bereitzu stellen, welcher auf einfache Art und Weise eine Konstanthaltung des Diodenstroms und somit der Diodenleistung ermöglicht.

[0013] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Welse weiter.

[0014] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode, aufweisend eine Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung zugeführt wird und mittels einem durch eine Steuereinheit getakteten Schalter eine Versorgungsspannung für die wenigstens eine Leuchtdiode bereitstellt, und einen mit der Steuereinheit verbundenen Stromsensor zum Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode fließenden Stromes während der Einschaltphase des Schalters, wobei die Steuereinheit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Elnschalten des Schalters abhängig von dem mittels des Stromsensors während der Einschaltphase erfassten Strom bestimmt.

[0015] Die Steuereinheit (13) kann mittels zumindest eines durch den Stromsensor (6, 12) erfassten Stromwertes den Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) des Schalters (5) berechnen.

[0016] Die Steuereinheit (13) kann den berechneten Stromwert (lA) am Ende der Freilaufphase (F) mit einem vorgegebenen Sollwert vergleichen.

[0017] Die Steuereinheit kann die Zeitdauer (toff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Elnschalten des Schalters (5) nicht verändern, falls der berechnete Stromwert (lA) am Ende der Frellaufphase (F) dem Sollwert entspricht.

[0018] Die Steuereinheit kann die Zeitdauer (toff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) erhöhen, falls der berechnete Stromwert (lA) am Ende der Freilaufphase (F) größer als der Sollwert Ist.

[0019] Die Steuereinheit kann die Zeitdauer (toff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) verringern, falls der berechnete Stromwert (lA) am Ende der Freilaufphase (F) kleiner als der Sollwert ist.

[0020] Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode mittels einer Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung zugeführt wird und die mittels eines getakteten Schalters eine Versorgungsspannung für die wenigstens eine Leuchtdiode bereitstellt, umfassend die Schritte Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode (LED) fließenden Stromes während der Einschaltphase des Schalters und Bestimmen der Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters abhängig von dem während der Einschaltphase erfassten Strom.

[0021] Vorteilhafterweise berechnet die Steuereinheit mittels zumindest eines durch den Stromsensor erfassten Stromwertes den Stromwert am Ende der Freilaufphase des Schalters.

[0022] Vorteilhafterweise vergleicht die Steuereinheit den berechneten Stromwert am Ende der Freilaufphase mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht.

[0023] Des Weiteren verändert vorteilhafterweise die Steuereinheit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters nicht, falls der berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase dem Sollwert entspricht.

[0024] Vorteilhafterweise erhöht die Steuereinheit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters, falls der berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase größer als der Sollwert ist.

[0025] Andernfalls erhöht vorteilhafterweise die Steuereinheit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters, falls der berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase kleiner als der Sollwert ist.

[0026] Bevorzugt wartet die Steuereinheit beginnend mit der Einschaltphase des Schalters eine

Ausblendzeit tbik ab und erfasst unmittelbar nach der Ausblendzeit mittels des Stromsensors einen ersten Stromwert.

[0027] Gemäß einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit den Stromwert am Ende der Freilaufphase mittels des ersten Stromwertes berechnet durch U = Ib, wobei U der Stromwert am Ende der Freilaufphase und Ib der erste Stromwert ist.

[0028] Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit einen zweiten Stromwert am Ende der Einschaltphase bestimmt und die Steuereinheit den Stromwert am Ende der Freilaufphase mittels des ersten und zweiten Stromwertes berechnet aus

wobei U der Stromwert am Ende der Freilaufphase, Ib der erste Stromwert und Id der zweite Stromwert ist.

[0029] Gemäß einer dritten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit nach Erfassen des ersten Stromwertes erneut die Dauer der Ausblendzeit abwartet und unmittelbar nach der zweiten Ausblendzeit einen dritten Stromwert erfasst und dass die Steuereinheit den Stromwert am Ende der Freilaufphase mittels des ersten und dritten Stromwertes berechnet aus

Ia = 2*Ib-Ic wobei U der Stromwert am Ende der Freilaufphase, Ib der erste Stromwert und Ic der dritte Stromwert ist.

[0030] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters abhängig von dem Anstieg des mittels des Stromsensors während der Einschaltphase erfassten Stroms bestimmt.

[0031] Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Hierbei zeigt [0032] Fig. 1 einen ersten bekannten Buck-Konverter für Leuchtdioden, [0033] Fig. 2 einen typischen Stromverlauf durch ein Leuchtdiodenmodul in einem

Buck-Konverter, [0034] Fig. 3 eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung für Leuchtdioden, [0035] Fig. 4 und Fig. 5 Details bezüglich des Stromverlaufs durch das Leuchtdiodenmodul, [0036] Fig. 6 in Flussdiagramm mit den Schritten des erfindungsgemäßen Verfah rens zum Betrieb des Leuchtdiodenmoduls, und [0037] Fig. 7 eine weitere erfindungsgemäße Betriebsschaltung für Leuchtdioden.

[0038] Fig. 2 zeigt die typischen Spannungs- und Stromverläufe in einem Buck-Konverter, bzw. im Fall einer Rechteckspannung. In Fig. 2 ist hierfür entlang der X-Achse die Zeit dargestellt und entlang der Y-Achse der Spannungsverlauf bzw. der Stromverlauf durch die zumindest eine Leuchtdiode 7.

[0039] Durch entsprechendes Ansteuern des Schalters 5 wird die Betriebsschaltung mit einer Recheckspannung versorgt, d. h. während der Einschaltphase E des Schalters 5 über eine Zeitspanne ton wird die Betriebsschaltung mit einer bestimmten Spannung versorgt, und während einer Freilaufphase F über eine Zeitspanne toff, während welcher der Schalter 5 offen ist, wird die Schaltung nicht durch die Spannungsquelle versorgt.

[0040] Durch die bereits erläuterte Induktivität 3 ergibt sich an der zumindest einen Leuchtdiode 7 ein Stromverlauf wie in Fig. 2 dargestellt. Während der Einschaltphase E des Schalters 5 steigt der Strom durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 an und während der darauffoigenden Freiiaufphase F sinkt der Strom durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 wieder ab. Aiierdings entsteht beim Einschaiten des Schaiters 5 zu Beginn der Einschaitphase E durch ein Snubber-Netzwerk oder die parasitäre Kapazität des Schaiters 5 eine Stromspitze. Nach dessen Abkiin-gen steigt der Strom aufgrund der induktivität 3 iinear an. Nach dem Ausschaiten des Schaiters 5 iäuft sich die induktivität über die Last und die Diode 2 frei. Die Zeitdauer während der Stromspitze wird ais Bianking-Time tbik bzw. ais Ausbiendzeit t^k bezeichnet.

[0041] Um einen konstanten zeitiichen Mitteiwert für den Leuchtdiodenstrom zu erhaiten, ist es notwendig, den Stromwert am Ende der Freiiaufzeit zu kennen, da in Abhängigkeit von diesem Stromwert die Zeitdauer zwischen einem Ausschaiten und einem foigenden Einschalten des Schaiters 5 festgeiegt wird. Da aber wie bereits eriäutert, der Freiiaufstrom nicht über den Shuntwiderstand wegiäuft, kann dieser Strom nicht detektiert werden.

[0042] Die voriiegende Erfindung umgeht dieses Probiem, indem der Strom direkt nach dem Einschaiten des Schaiters 5 detektiert wird und durch die Messwerte des Stromes während der Einschaitzeit E auf den Freiiaufstrom rückgeschiossen wird.

[0043] Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung 1 für den Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode 7. Die Schaitung entspricht hierbei dem ersten Buck-Konverter 11, wie er in Fig. 1 dargesteiit ist und bereits eriäutert wurde. Erfindungsgemäß ist hierbei zusätzlich ein Sensor 12 vorgesehen, weicher geeignet ist, den mitteis des Shuntwiderstands 6 gemessenen Strom zu detektieren und den Wert an eine Steuereinheit 13 weiterzuleiten. Die Steuereinheit 13 steuert den Schaiter 5 an und ist des Weiteren geeignet, auf Basis der von dem Sensor 12 übermitteiten Strommesswerte die Ausschaitzeitdauer toff sowie die Einschaltzeitdauer ton des Schaiters 5 entsprechend zu bestimmen. Die Bestimmung der Ausschaitzeitdauer toff durch die Steuereinheit 13 wird im Foigenden im Detaii eriäutert.

[0044] in Fig. 4 ist nochmais der Spannungs- und Stromveriauf in einem Leuchtdiodenmodul dargestellt. Eine erste Möglichkeit, auf den Strom Ia am Ende der Freilaufzeit rückschließen zu können, ist, nach der Ausbiendzeit, d.h. der Blankingtime t^k, einen ersten Stromwert Iß zu messen. Bei dieser ersten Möglichkeit wird davon ausgegangen, dass tbik viel kleiner ist als ton und somit der nach der Blankingtime gemessene Strom Iß ungefähr dem Strom Ia am Ende der Freilaufzeit entspricht. Somit kann der Stromwert am Ende der Freilaufphase mittels der ersten Stromwertes berechnet werden aus Ia = Ib- [0045] Der so berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase Ia wird mit einem Sollwert verglichen und falls Ia größer als der gewünschte Sollwert ist, so wird beim nächsten Takt die Zeitdauer toff zwischen einem Ausschalten und einem Folgenden Anschalten vergrößert. Ist der Strom Ia kleiner als der gewünschte Sollwert, so wird hingegen beim nächsten Takt toff verkürzt. Entspricht der Strom Ia ggf. auch innerhalb vorbestimmter Toleranzwerte dem gewünschten Sollwert, so wird beim nächsten Takt toff unverändert belassen.

[0046] Eine zweite Methode zur Bestimmung des Stromes am Ende der Freilaufphase Ia wird im Folgenden erläutert. Diese Methode kann dann Anwendung finden, falls die Blankingtime t^k nicht gegenüber der Einschaltzeitdauer ton vernachlässigbar ist und durch die oben angenommene Näherung die Genauigkeitsanforderungen an Ia nicht erfüllt werden können oder im Fall, dass Ia besonders genau bestimmt werden muss. Für diesen Fall ist es möglich, noch einen zweiten Stromwert !□ am Ende der Einschaitphase E zu messen. Der Strom Ia am Ende der Freilaufphase kann dann folgendermaßen berechnet werden:

[0047] Diese Berechnung beruht auf dem Prinzip, dass der Strom nach dem Einschalten des Schalters 5 linear ansteigt und somit durch zwei Messungen des Stromverlaufs Iß und Id auf den Strom Ia am Ende der Freilaufphase zurückgerechnet werden kann.

[0048] Der Rechenaufwand für die oben genannte zweite Methode ist insbesondere bei einer

Digitalschaltung verhältnismäßig kompliziert, da sowohl Division als auch Multiplikation durchgeführt werden muss.

[0049] Erfindungsgemäß wird daher eine dritte Methode vorgeschlagen, welche auf der Messung eines dritten Stromwertes Ic basiert. Dies ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Für diese Methode wird ebenfalls die Blankingtime tbik abgewartet und dann der erste Stromwert am Ende der Blankingtime Ib erfasst. Anschließend wird nochmals die Blankingtime W abgewartet und der dritte Stromwert Ic erfasst. Da die Differenz aus Ic und Ib, also Ic - Ib, auf Grund es linearen Spulenstroms gleich der Differenz Ib - Ia, ist, kann Ia berechnet werden aus:

Ia = Ib-(Ic-Ib) = 2*Ib-Ic [0050] Somit lässt sich auch in einer Digitalschaltung der Stromwert U am Ende der Freilaufphase verhältnismäßig einfach berechnen, da sich die Berechnung im Digitalbereich auf eine Bitverschiebung sowie eine Subtraktion reduziert.

[0051] Durch die vorliegende Erfindung ist sichergestellt, dass der Stromfluss durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 möglichst nie auf Null abfällt, d. h. die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den continuous conduction mode. Somit ergibt sich ein möglichst kleiner Rippel des Stromverlaufs durch die zumindest eine Leuchtdiode 7.

[0052] Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Übersicht in Fig. 7 nochmals schematisch dargestellt.

[0053] Das Verfahren beginnt in Schritt SO mit dem Ende der Freilaufphase F. Im folgenden Schritt S1 gibt die Steuereinheit 13 das Signal für die Einschaltphase an den Schalter 5 aus. Im folgenden Schritt S2 wird die Ausblendzeit, d. h. die Blankingtime tbik abgewartet. Im folgenden Schritt S3, weicherauch aus mehreren Unterschritten bestehen kann, zumindest ein Stromwert, d.h. ein Messwert des Stromes während der Einschaltphase, durch den Shuntwiderstand 6 und die Sensorik 12 aufgenommen.

[0054] Im folgenden Schritt S4 berechnet die Steuereinheit auf Basis der übermittelten Stromwerte den Rücklaufstrom, d. h. den Strom U am Ende der Freilaufphase. Im folgenden Schritt S5 wird überprüft, ob der Rücklaufstrom einen vorgegebenen Sollwert entspricht. Falls dies der Fall ist, wird im folgenden Schritt S7 keine Veränderung der Ausschaltzeit toff vorgenommen.

[0055] Andernfalls, falls im Schritt S5 festgestellt wird, dass der Rücklaufstrom U nicht einem Sollwert entspricht, wird im folgenden Schritt S6 überprüft, ob der Rücklaufstrom U größer als der Sollwert ist. Falls dies der Fall ist, wird in einem folgenden Schritt S9 die nächste Ausschaltzeit erhöht, andernfalls wird in einem folgenden Schritt S8 die folgende Ausschaltzeit verringert. Hierbei ist die Ausschaltzeit die Zeitdauer zwischen dem Ausschalten und dem folgenden Einschalten des Schalters 5. Das Verfahren endet in Schritt S10.

[0056] Die in Schritt S4 vorgenommene Berechnung kann hierbei auf einer der drei genannten Methoden basieren in Abhängigkeit von den Voreinstellungen und den aufgenommenen Messwerten.

[0057] Eine weitere Möglichkeit der Regelung besteht darin, dass der Anstieg des durch den Stromsensor 6,12 erfassten Stromwertes ausgewertet wird. Dabei wird die Differenz zwischen dem Stromwert am Anfang und am Ende der Einschaltphase ermittelt. Aus dem Anstieg des Stromes kann auf die Größe der Induktivität 3 oder auch die Flussspannung der Leuchtdiode 7 geschlossen werden. Wenn die Größe der Induktivität 3 oder auch die Flussspannung der Leuchtdiode 7 bekannt sind, kann auf die für ein Erreichen eines Rücklaufstromes Ia erforderliche Ausschaltzeit toff geschlossen werden.

[0058] Die Berechung der erforderlichen Ausschaltzeit toff bereits während einer Einschaltphase E anhand des Anstiegs des Stromes durch den Schalter S bietet den Vorteil, dass bereits vor der ersten Freilaufphase F die Ausschaltzeit vorausbestimmt werden kann.

[0059] Während der Einschaltphase ergibt sich der Strom durch den Schalter S aus dem Quotienten von Spannung über der Induktivität 3 und dem Wert der Induktivität 3 multipliziert mit der

Einschaltzeit. Während der Ausschaltzeit ergibt sich der Abfall des Stroms im Freilaufpfad (durch die Leuchtdiode 7) aus dem Quotienten von Spannung über der Induktivität 3 und dem Wert der Induktivität 3 multipliziert mit der Ausschaltzeit. Da während der Freilaufphase die Spannung über der Induktivität in etwa der Spannung über der Leuchtdiode 7 entspricht (die Differenz ergibt sich aus der Flussspannung der Freilaufdiode 2). Somit kann über die Dauer von Einschaltphase E und Ausschaltphase F sowie durch Messung der Einschaltzeit und Ausschaltzeit toff sowohl die Flussspannung der Leuchtdioden 7 als auch die Induktivität 3 bestimmt werden.

[0060] Wenn die Größe der Induktivität 3 oder die Flussspannung der Leuchtdiode 7 bereits (beispielsweise durch die Auslegung der Betriebsschaltung) bekannt ist, wird die Ermittlung der erforderlichen Ausschaltzeit vereinfacht. Es ist aber auch möglich, während des Betriebs die Spannung über der Induktivität 3 oder auch der Leuchtdiode 7 zu messen. Wenn der Schalter S eingeschaltet ist, kann gemäß der Schaltung nach Fig. 3 die Spannung über der Induktivität 3 über eine Spannungsmessung am Anschlusspunkt zwischen der Induktivität 3 und der Leuchtdiode 7 gemessen werden. Wenn beide Bauteile vertauscht sind, kann auf einfache Weise die Flussspannung über der Leuchtdiode 7 gemessen werden. Eine solche Spannungsmessung kann auch für eine Fehlererkennung genutzt werden. So kann beispielsweise auf einen Fehler der Leuchtdiode 7 oder auch auf einen durch einen in der Verkabelung der Leuchtdiode 7 verursachten Fehler wie einen Kurzschluss geschlossen werden.

[0061] Bei einer Speicherung der Werte für den Stromwert Ia kann eine zeitliche Überwachung der erfassten Stromwerte durchgeführt werden. Wenn eine Änderung der erfassten Stromwerte erkannt wird, kann auf einen möglichen Fehler oder auch eine Alterung der Leuchtdiode 7 oder auch anderer Bauteile geschlossen werden.

[0062] Auch für die Berechnung der erforderlichen Ausschaltzeit totr anhand des Anstiegs des Stromes durch den Schalter S während einer Einschaltphase E kann das bereits erläuterte Verfahren der Berücksichtigung der Ausblendzeiten tbik genutzt werden.

[0063] Unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Vergleich des erfassten Stromwertes Ia am Ende der Freilaufphase F mit einem vorgegebenen Sollwert kann dabei die Bestimmung der Induktivität 3 oder auch der Flussspannung der Leuchtdiode 7 korrigiert oder auch vervollständigt werden. Somit kann anhand des Anstieges des Stromes während einer Einschaltphase die erforderliche Zeitdauer toff berechnen, die zum Erreichen eines bestimmten Stromwertes Ia am Ende der Freilaufphase F notwendig ist. Zusätzlich kann dann der tatsächlich erreichte Stromwert Ia am Ende der Freilaufphase F mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen werden und die Zeitdauer toff nochmals angepasst werden.

[0064] Bei dem Einsatz einer Digitalschaltung ist die Nutzung eines Speichers wie auch die Durchführung der notwendigen Berechnungen auf einfache Weise realisierbar. Eine solche Digitalschaltung verfügt vorteilhafterweise über mindestens einen Analog-Digital-Wandler zur Erfassung der Strom- und Spannungswerte, einen Rechenblock zur Verarbeitung und Berechnung der entsprechenden Werte sowie ein Speicher-Register zur Ablage der Messwerte und berechneten Werte.

[0065] Eine vorteilhafte Auslegung der erfindungsgemäßen Betriebsschaltung kann so ausgeführt sein, dass für die Regelung des Stromes durch die Leuchtdiode 7 nur der Strom während der Einschaltphase gemessen und ausgewertet wird, während eine vorhandene Spannungsdetektion nur für eine Fehlerabschaltung verwendet wird. Somit kann beispielsweise ein Komparator zur Überwachung der Spannung der Leuchtdiode 7 oder der Spannung über der Induktivität 3 eingesetzt werden, womit eine kostengünstige Schaltung aufgebaut werden kann.

[0066] Um eine möglichst genaue Bestimmung der notwendigen Schaltparameter wie der Ausschaltzeit ^ zu ermöglichen, kann es vorteilhaft sein, die Temperatur der Leuchtdiode 7 zu überwachen.

[0067] Fig. 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Betriebsschaltung 1 für den Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode 7. Die Schaltung entspricht hierbei einem Buck-Boost-Konverter 110.

Erfindungsgemäß wird hierbei mittels des Shuntwiderstands 6 der Strom durch den Schalter 5 gemessen und der Wert an eine Steuereinheit 13 weitergeleitet. Die Steuereinheit 13 steuert den Schalter 5 an und ist des Weiteren geeignet, auf Basis der von dem Shuntwiderstand 6 übermittelten Strommesswerte die Ausschaltzeitdauer toff sowie die Einschaltzeitdauer ton des Schalters 5 entsprechend zu bestimmen. Während der Einschaltphase E des Schalters 5 wird die Induktivität 3 aufmagnetisiert. Während der Ausschaltphase F über eine Zeitspanne toff wird die Induktivität 3 entmagnetisiert, wobei der Strom durch die Leuchtdiode 7 und die Diode 2 fließt.

[0068] Das erfindungsgemäße Verfahren kann für alle Schaltungstopologien zum Betrieb von Leuchtdioden eingesetzt werden, bei denen keine direkte Messung des Stromes durch die Leuchtdioden möglich ist, weil die Leuchtdioden nicht direkt gegen Masse verschaltet sind, sondern auf einem gegenüber Masse veränderlichen Potential angeschlossen sind. Dieses Verfahren kann daher auch bei Betriebsschaltungen mit Potentialtrennung eingesetzt werden, wobei während einer Einschaltphase E eine Induktivität 3 aufmagnetisiert wird und in einer darauffolgenden Ausschaltphase F entmagnetisiert wird und dabei einen Strom durch wenigstens eine Leuchtdiode 7 treibt. Die Induktivität 3 kann eine Sekundärwicklung aufweisen, über die sie ihre Energie während der Ausschaltphase F abgibt, wodurch die Potentialtrennung in der Schaltung erreicht wird. Eine solche Schaltung kann beispielsweise ein Forward-Konverter sein. Dabei wird der Strom durch einen Schalter (und der Stromanstieg) während einer Einschaltphase E erfasst und ausgewertet und das notwendige Schaltverhalten des Schalters 5 (beispielsweise die (Ausschalt-)Zeitdauer toff) bestimmt.

[0069] Die vorliegende Betriebsschaltung und das vorliegende Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode ergibt also, dass unabhängig von der Last, beispielsweise unabhängig von der Anzahl der versorgten Leuchtdioden, der Stromverlauf immer zwischen einem Wert Lax und einem Wert Lin gehalten wird, d. h. dass immer bei demselben Wert Lin>0 das Wiedereinschalten des Schalters 5 erfolgt. Ein Vorteil des durch die Erfindung garantierten verhältnismäßig geringen Rippels, d. h. der Differenz zwischen Lin und Lax, also Lin-Lax, ist es, dass die Leuchtdiode im Wesentlichen mit einem gleichbleibenden Strom versorgt wird, so dass sich die Farbverschiebung bei sehr unterschiedlichen Leuchtdiodenströmen nicht zeigt. Dies ist ein Nachteil von Schaltungen, die im discontinuous mode arbeiten, bei dem also der Leuchtdiodenstrom auf Null absinkt und ggf. auch eine zeitlang auf Null verbleibt, bevor der Schalter wieder eingeschaltet wird.

Claims

Patentansprüche

1. Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode (7), aufweisend eine Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung zugeführt wird und mittels einem durch eine Steuereinheit (13) getakteten Schalter (5) eine Versorgungsspannung für die wenigstens eine Leuchtdiode (7) bereitstellt, und einen mit der Steuereinheit (13) verbundenen Stromsensor (6, 12) zum Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode (7) fließenden Stromes während der Einschaltphase (E) des Schalters (5), wobei die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, die Zeitdauer (toff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) abhängig von dem mittels des Stromsensors (6, 12) während der Einschaltphase (E) erfassten Strom zu bestimmen, und die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, mittels zumindest eines durch den Stromsensor (6, 12) erfassten Stromwertes den Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) des Schalters (5) zu berechnen, und die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, die Zeitdauer (^) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) abhängig von dem Anstieg des mittels des Stromsensors (6, 12) während der Einschaltphase (E) erfassten Strom zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, abhängig von dem Anstieg des während der Einschaltphase (E) erfassten Stromes durch den Schalter (5) den Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) des Schalters (5) zu berechnen.
2. Schaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, den berechneten Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) mit einem vorgegebenen Sollwert zu vergleichen.
3. Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Steuereinheit (13) beginnend mit der Einschaltphase (E) des Schalters (5) eine Ausblendzeit (tbik) abwartet und unmittelbar nach der Ausblendzeit (t^k) mittels des Stromsensors (6, 12) einen ersten Stromwert (Ib) erfasst.
4. Schaltung (1) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten Stromwertes (Ib) berechnet durch U “ Ib, wobei U der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F) und Ib der erste Stromwert ist.
5. Schaltung (1) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, einen zweiten Stromwert (b) am Ende der Einschaltphase (E) zu bestimmen und wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten (b) und zweiten Stromwertes (b) berechnet aus

wobei U der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F), b der erste Stromwert und b der zweite Stromwert ist.
6. Schaltung (1) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit nach Erfassen des ersten Stromwertes (b) erneut die Dauer der Ausblendzeit (tbik) abwartet und unmittelbar nach der zweiten Ausblendzeit (bk) einen dritten Stromwert (b) erfasst und wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten (b) und dritten Stromwertes (b) berechnet aus Ia = 2*b - b, wobei U der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F), b der erste Stromwert und b der dritte Stromwert ist.
7. Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode (7) mittels einer Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung zugeführt wird und die mittels eines getakteten Schalters (5) eine Versorgungsspannung für die wenigstens eine Leuchtdiode (7) bereitstellt, umfassend die Schritte - Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode (7) (LED) fließenden Stromes während der Einschaltphase (E) des Schalters (5) und - Bestimmen der Zeitdauer (toff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) abhängig von dem während der Einschaltphase (E) erfassten Strom wobei die Zeitdauer (^) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) abhängig von dem Anstieg des mittels des Stromsensors (6, 12) während der Einschaltphase (E) erfassten Strom bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) mittels zumindest eines durch den Stromsensor (6, 12) erfassten Stromwertes den Stromwert (Ia) am Ende der Freilaufphase (F) des Schalters (5) berechnet, wobei die Steuereinheit (13) dazu ausgelegt ist, abhängig von dem Anstieg des während der Einschaltphase (E) erfassten Stromes durch den Schalter (5) den Stromwert (IA) am Ende der Freilaufphase (F) des Schalters (5) zu berechnen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit (13) den berechneten Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit die Zeitdauer (toff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) nicht verändert, falls der berechnete Stromwert am Ende der Frellaufphase (F) dem Sollwert entspricht.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9 wobei die Steuereinheit die Zeitdauer (^) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Elnschalten des Schalters (5) erhöht, falls der berechnete Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) größer als der Sollwert ist und/oder diese Zeitdauer verringert, falls der berechnete Stromwert kleiner als der Sollwert ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Steuereinheit (13) beginnend mit der Einschaltphase (E) des Schalters (5) eine Ausblendzeit (tbik) abwartet und unmittelbar nach der Ausblendzeit (tbik) mittels des Stromsensors (6,12) einen ersten Stromwert (Ib) erfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten Stromwertes (Ib) berechnet durch U = Iß. wobei Ia der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F) und Ib der erste Stromwert ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit (13) einen zweiten Stromwert (Id) am Ende der Einschaltphase (E) bestimmt und wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten (Ib) und zweiten Stromwertes (Id) berechnet aus

wobei Ia der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F), Ib der erste Stromwert und b der zweite Stromwert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit nach Erfassen des ersten Stromwertes (Ib) erneut die Dauer der Ausblendzeit (tbik) abwartet und unmittelbar nach der zweiten Ausblendzeit (tbik) einen dritten Stromwert (Ic) erfasst und wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (U) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten (Ib) und dritten Stromwertes (Ic) berechnet aus U = 2*Ib - Ic, wobei U der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F), Ib der erste Stromwert und Ic der dritte Stromwert ist.