Technisches Gebiet
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Die Erfindung geht aus von einem Betriebsgerät für Leuchtdioden gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um die Regelung des
Betriebsstroms der Leuchtdioden in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.
Stand der Technik
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Der maximal zulässige Effektivwert des Betriebsstroms von Leuchtdioden, im
folgenden kurz Betriebsstrom genannt, ist abhängig von der Umgebungstemperatur, im
folgenden kurz Temperatur genannt. Damit eine Leuchtdiode eine gewünschte
Lebensdauer erreicht, müssen die folgenden Bedingungen, die von Leuchtdioden-
Herstellern genauer spezifiziert sind, eingehalten werden. Bis zu einer Derating-
Temperatur bleibt der Betriebsstrom konstant. Ab der Derating-Temperatur beginnt
ein sog. Derating; d. h. mit zunehmender Temperatur sinkt der Betriebsstrom
proportional mit steigender Temperatur. Über einer Abschalt-Temperatur darf die
Leuchtdiode nicht betrieben werden, weshalb dann eine Abschaltung erfolgen muss, bei der
der Betriebsstrom vernachlässigbar klein ist.
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In der Schrift EP 0 891 120 (Weis) wird vorgeschlagen, einen temperaturabhängigen
Widerstand (PTC) in Serie zu den Leuchtdioden zu schalten. Bei einer
Temperaturerhöhung nimmt der Widerstand des PTC zu und der Strom durch die Leuchtdioden
nimmt ab. Nachteil dieser Lösung ist, dass es keine eindeutige Derating-Temperatur
gibt, unter der der Betriebsstrom konstant ist.
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Wird eine Diode, im vorliegenden Fall eine Leuchtdiode, in Flussrichtung betrieben,
so fällt an ihr eine Flussspannung ab. In der Schrift DE 198 10 827 (Graf) wird die
Temperaturabhängigkeit der Flussspannung ausgenützt. Eine Regelschaltung stellt
den Strom durch die Leuchtdioden so ein, dass die Flussspannung konstant bleibt.
Damit wird die Temperatur der Leuchtdiode unabhängig von der
Umgebungstemperatur konstant gehalten. Nachteil dieser Lösung ist, dass unter der Derating-
Temperatur nicht ein gewünschter Betriebsstrom eingehalten wird.
Darstellung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsgerät für Leuchtdioden
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, das eine temperaturabhängige
Regelung des Betriebsstroms der Leuchtdioden bewerkstelligt. Dabei soll der
Betriebsstrom eine Temperaturabhängigkeit aufweisen wie sie im Abschnitt zum Stand
der Technik beschrieben ist und von Leuchtdiodenherstellern empfohlen wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Betriebsgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1
gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Betriebsgeräte für Leuchtdioden, die den Strom durch die Leuchtdioden regeln,
besitzen im allgemeinen eine Regeleinrichtung, mit einem Sollwerteingang an dem ein
Stromeinstellwert anliegt. Abhängig vom Stromeinstellwert wird der Strom durch die
Leuchtdioden eingestellt. Dies kann kontinuierlich durch Einflussnahme auf eine
Betriebsspannung einer Betriebsanordnung geschehen. Da für den Betrieb der
Leuchtdioden der Effektivwert des Betriebsstroms maßgeblich ist, kann eine
Regelung auch mittels einer Pulsweitenmodulation geschehen.
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Üblicherweise besitzt ein o. g. Betriebsgerät einen Sollwertgeber, der an einem
Sollwertausgang einen Stromsollwert bereitstellt. Da der Betriebsstrom von der
Temperatur abhängen soll, besitzt das Betriebsgerät auch eine Temperaturmesseinrichtung,
die eine Temperaturmessgröße bereitstellt, die linear von der Umgebungstemperatur
abhängt.
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Erfindungsgemäß wird nun der Stromsollwert nicht direkt dem Sollwerteingang der
Regeleinrichtung zugeführt. Vielmehr besitzt das Betriebsgerät erfindungsgemäß
einen Subtrahierer mit einem ersten und einem zweiten Eingang und mit einem
Ausgang. Der Subtrahierer subtrahiert eine elektrische Größe an seinem zweiten Eingang
von einer elektrischen Größe an seinem ersten Eingang und stellt das Ergebnis an
seinem Ausgang bereit. Der Stromsollwert wird erfindungsgemäß dem ersten
Eingang des Subtrahierers zugeführt. Der Sollwerteingang der Regeleinrichtung wird
erfindungsgemäß mit dem Ausgang des Subtrahierers verbunden. Demgemäss liefert
der Ausgang des Subtrahierers den Stromeinstellwert.
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Der zweite Eingang des Subtrahierers wird mit einem ersten Ausgang einer
erfindungsgemäßen Steuereinrichtung verbunden. Dadurch wird ein Abzugswert, den die
Steuereinrichtung an ihrem ersten Ausgang bereitstellt, dem Subtrahierer zugeführt.
Erfindungsgemäß wird dadurch bewirkt, dass der Stromeinstellwert gleich dem
Stromsollwert, reduziert um eine temperaturabhängige Abzugsgröße ist. Eine
Aufgabe der Steuereinrichtung besteht nun darin, dass aus der Temperaturmessgröße ein
geeigneter Wert der Abzugsgröße ermittelt wird. Dazu wird die
Temperaturmessgröße einem Temperatureingang der Steuereinrichtung zugeführt. Bis zu einem
einstellbaren Derating-Startwert, den die Temperaturmessgröße bei der Derating-
Temperatur annimmt, wird ein Wert der Abzugsgröße ausgegeben, der den
Stromsollwert zur Ermittlung des Stromeinstellwerts nicht reduziert. Liegt der Wert der
Temperaturmessgröße über dem Deratingstartwert, so ist die Abzugsgröße
proportional zur Temperaturmessgröße. Erfindungsgemäß wir dadurch der Stromeinstellwert
proportional zur Temperaturmessgröße reduziert. Der Übergang vom konstanten
Stromeinstellwert zum reduzierten Stromeinstellwert bei der Derating-Temperatur ist
erfindungsgemäß stetig.
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Damit ein Betrieb der Leuchtdiode oberhalb der Abschalt-Temperatur vermieden
wird, besitzt das Betriebsgerät erfindungsgemäß eine Abschalteinrichtung mit einem
Abschalteingang. Bei Überschreiten der Abschalt-Temperatur überschreitet der Wert
der Temperaturmessgröße einen einstellbaren Abschaltwert. In diesem Fall gibt die
Steuereinrichtung über einen zweiten Ausgang an den Abschalteingang ein
Abschaltsignal aus, das die Abschalteinrichtung dazu veranlasst den Stromeinstellwert so zu
verändern, dass der Strom durch die Leuchtdioden vernachlässigbar klein wird.
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Für die Leuchtdioden gibt der Hersteller einen maximalen Betriebsstrom bei
erreichen der Abschalt-Temperatur an. Die Proportionalität zwischen der Abzugsgröße
und der Temperaturmessgröße ist erfindungsgemäß so gewählt, dass bei erreichen
der Abschalt-Temperatur durch die Leuchtdioden der vom Hersteller für diese
Temperatur angegebene maximale Betriebsstrom fließt. Damit wird erreicht, dass für alle
Temperaturen der maximale Betriebsstrom nicht überschritten wird.
Beschreibung der Zeichnungen
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Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. Es zeigen:
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Fig. 1 die Temperaturabhängigkeit des maximal zulässigen Betriebsstroms
einer Leuchtdiode
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Fig. 2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Betriebsgeräts
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Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Erzeugung des
Stromeinstellwerts
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Im folgenden werden Widerstände durch den Buchstaben R, Transistoren
durch den Buchstaben T, Verstärker durch den Buchstaben A, Dioden durch
den Buchstaben D jeweils gefolgt von einer Zahl bezeichnet.
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In Fig. 1 ist ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit des maximal zulässigen
Betriebsstroms einer Leuchtdiode dargestellt. Es handelt sich um Herstellerangaben
zu einer Leuchtdiode vom Typ LA E675 der Firma Osram Opto Semiconductors.
Der Betriebsstrom IF in mA ist in einem Diagramm über der Umgebungstemperatur
TA in °C aufgetragen. Bis zu einer Temperatur TA von 70°C ist der Betriebsstrom IF
konstant 70 mA. Oberhalb von 70°C beginnt das sog. Derating. Die Derating-
Temperatur beträgt demnach im vorliegenden Beispiel 70°C. In einem
Temperaturbereich zwischen der Derating-Temperatur und der Abschalt-Temperatur, die im
verliegenden Beispiel 100°C beträgt, fällt der Betriebsstrom IF linear mit steigender
Temperatur TA. Oberhalb der Abschalt-Temperatur von 100°C ist ein Betrieb der
Leuchtdiode ausgeschlossen.
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In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Betriebsgeräts abgebildet.
Eine Regeleinrichtung 1 liefert an ihrem Ausgang 13 den Betriebsstrom für die zu
bereibenden Leuchtdioden 2. Über eine Rückkoppelleitung 3 wird ein Istwert des
Betriebsstroms in einen Istwerteingang 12 der Regeleinrichtung 1 eingespeist.
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Der Sollwertgeber 5 stellt an seinem Sollwertausgang 51 einen Stromsollwert bereit.
Dieser wird erfindungsgemäß einem ersten Eingang 61 eines Addierers 6 zugeführt.
Ein Ausgang 63 des Addierers 6 liefert einen Stromeinstellwert für einen
Sollwerteingang 11 der Regeleinrichtung 1. Am zweiten Eingang 62 des Addierers 6 wird ein
Abzugswert eingespeist, den eine Steuereinrichtung 8 an ihrem Ausgang 82
bereitstellt. Erfindungsgemäß entspricht der Stromeinstellwert, der am Ausgang 63 des
Addierers 6 ausgegeben wird, dem Stromsollwert minus dem Abzugswert. In Fig. 2
wird der Stromeinstellwert durch einen Addierer 6 berechnet, dessen zweiter
Eingang 62 invertiert wird. Dies wird durch ein Minuszeichen am zweiten Eingang 62
angedeutet. Genauso ist es auch möglich, einen invertierten Abzugswert gleich am
ersten Ausgang 82 der Steuereinrichtung 8 bereitzustellen. Eine Invertierung am
zweiten Eingang 62 ist dann nicht mehr nötig.
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Es ist auch möglich den Stromsollwert und den Stromeinstellwert zu invertieren,
während der Abzugswert nicht invertiert wird.
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Eine weitere Möglichkeit zur Berechnung des Stromeinstellwerts besteht darin, dass
der Addierer 6 durch einen Subtrahierer ersetzt wird. Am ersten Eingang 61 wird der
Minuend, am zweiten Eingang 62 wird der Subtrahend eingespeist. Die Invertierung
eines Werts ist in diesem Fall nicht nötig.
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Der Abzugswert wird in der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur
bestimmt. Dazu gibt eine Temperaturmesseinrichtung 4 an ihrem Ausgang 41 eine
Temperaturmessgröße aus, die in den Temperatureingang 81 der Steuereinrichtung 8
eingespeist wird. Unterhalb der Derating-Temperatur stellt die Steuereinrichtung
einen Abzugswert ein, der den Stromsollwert nicht beeinflusst, wodurch der
Stromeinstellwert gleich dem Stromsollwert ist. Oberhalb der Derating-Temperatur steigt
der Abzugswert linear mit der Temperaturmessgröße an, so dass der
Stromeinstellwert linear mit der Temperatur abfällt. Der Abzugswert wird von der
Steuereinrichtung 8 so gewählt, dass der Verlauf des Stromeinstellwerts bei der Derating-
Temperatur stetig ist.
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Wird die Abschalttemperatur erreicht, so gibt die Steuereinrichtung 8 an ihrem
zweiten Ausgang 83 ein Abschaltsignal an den Eingang 71 der Abschalteinrichtung 7 aus.
Daraufhin beeinflusst die Abschalteinrichtung 7 über ihren Ausgang 72 den
Sollwertgeber in der Art, dass am Sollwertausgang 51 ein Sollwert an den Addierer 6
ausgegeben wird, der einen Betriebsstrom zur folge hat, der vernachlässigbar klein
ist.
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Damit ist in Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Betriebsgerät beschrieben, das einen
temperaturabhängigen Betriebsstrom liefert, wie er prinzipiell in Fig. 1 dargestellt ist.
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In Fig. 3 ist der Schaltplan eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels dafür
gegeben, wie aus dem Stromsollwert ein Stromeinstellwert erzeugt wird.
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Ein Addierer wird gebildet aus einem Operationsverstärker A1 und Widerständen
R1, R2 und R3. Über R2 wird ein erster Eingang des Addierers mit dem
invertierenden Eingang von A1 verbunden. Über R1 wird ein zweiter Eingang des Addierers
mit dem invertierenden Eingang von A1 verbunden. R3 verbindet den Ausgang von
A1 mit seinem invertierenden Eingang. Der Ausgang von A1 bildet den Ausgang des
Addierers VST. Dort steht die Summe der beiden Eingangssignale, also der
Stromeinstellwert, in invertierter Form zur Verfügung. Wird eine nicht invertierte Form
benötigt, ist dem Addierer ein Inverter nachzuschalten. Der nicht invertierende
Eingang von A1 ist mit einem Potenzial verbunden, das mit virtueller Masse VM bezeichnet
wird. Die virtuelle Masse VM bildet das Bezugspotenzial für die Eingänge
des Addierers. Hergeleitet wird die virtuelle Masse VM mit Hilfe eines
Spannungsteilers aus den Widerständen R4 und R5, der zwischen einer Referenzspannung VR
und einem Massepotenzial M geschaltet ist.
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Am ersten Eingang des Addierers wird ein Stromsollwert VS eingespeist. Dort ist
auch eine Abschalteinrichtung angeschlossen. Im vorliegenden Beispiel besteht die
Abschalteinrichtung lediglich aus einem NPN Bipolartransistor T1. Damit lässt sich
die Abschalteinrichtung kostengünstig realisieren. Es ist auch möglich, dafür einen
anderen elektronischen Schalter einzusetzen. Der Kollektor von T1 ist mit dem
Stromsollwert verbunden, während der Emitter auf Massepotenzial M liegt. Die
Basis von T1 bildet einen Abschalteingang, der mit dem Ausgang eines Komparators
A2 verbunden ist. A2 wird durch einen Operationsverstärker realisiert. Sobald A2 ein
Abschaltsignal an T1 abgibt wird der Stromsollwert auf Massepotenzial gelegt,
wodurch am Ausgang des Addierers VST ein Wert ausgegeben wird, der keinen
Betriebsstrom mehr zulässt.
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Eine Temperaturmesseinrichtung wird gebildet aus der Serienschaltung eines
Widerstands R6 und einer Referenzdiode D1 und aus einem Operationsverstärker A3. Die
Serienschaltung von R6 und D1 ist zwischen die Referenzspannung VR und das
Massepotenzial M geschaltet, wobei die Kathode von D1 auf Massepotenzial M
liegt. Der Verbindungspunkt von D1 und R6 ist mit dem nicht invertierenden
Eingang von A3 verbunden. Der invertierende Eingang von A3 ist mit dem Ausgang
von A3 verbunden. Damit bildet A3 einen Spannungsfolger und stellt an seinem
Ausgang die Flussspannung von D1 zur Verfügung, die eine Temperaturmessgröße
bildet. Die Flussspannung von Halbleiterdioden ist umgekehrt proportional zur
Temperatur. D. h. die Temperaturmessgröße liegt in invertierter Form vor. Deshalb wird
im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Addierer und kein Subtrahierer verwendet.
Für D1 kann grundsätzlich jede Halbleiterdiode eingesetzt werden. Da es jedoch
wichtig ist, dass für D1 die gleiche Temperatur relevant ist wie für die zu
betreibenden Leuchtdioden, wird vorteilhaft für D1 eine Diode verwendet, die dem Typ der zu
betreibenden Leuchtdioden entspricht.
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Der Ausgang von A3, an dem die Temperaturmessgröße anliegt, wird dem
invertierenden Eingang von A2 zugeführt. Der nicht invertierende Eingang ist verbunden mit
einem Mittelabgriff eines Spannungsteilers, gebildet aus Widerständen R7 und R8,
der zwischen der Referenzspannung VR und dem Massepotenzial M geschaltet ist.
Das Verhältnis der Widerstände R7 und R8 ist so gewählt, dass bei der
Abschalttemperatur der Komparator A2 ein Abschaltsignal ausgibt und T1 in einen leitenden
Zustand versetzt.
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Der Ausgang von A3, an dem die Temperaturmessgröße anliegt, speist einen auf
dem Massepotenzial M liegenden Spannungsteiler bestehend aus Widerständen R9
und R10. Der Mittelabgriff dieses Spannungsteilers ist mit dem nicht invertierenden
Eingang eines Operationsverstärkers A4 und mit einem ersten Eingangspol eines
Umschalters S1 verbunden. Der Umschalter S1 kann sowohl mechanisch als auch
elektronisch ausgeführt sein. Der zweite Eingangspol des Umschalters S1 und der
invertierende Eingang von A4 sind mit der virtuellen Masse VM verbunden. Der
Ausgangspol des Umschalters S1 ist mit dem zweiten Eingang des Addierers
verbunden. Der Ausgang von A4 steuert den Umschalter S1. Das Verhältnis der
Widerstände R9 und R10 ist auf die Höhe des Potenzials der virtuellen Masse VM so
abgestimmt, dass der Umschalter bei der Derating-Temperatur umgeschaltet wird.
Unterhalb der Derating-Temperatur legt der Umschalter die virtuelle Masse an den zweiten
Eingang des Addierers. Damit ist der Stromeinstellwert VST am Ausgang des
Addierers unabhängig von der Temperatur. Erfindungsgemäß liegt am Ausgang des
Umschalters S1 unmittelbar nach Überschreiten der Derating-Temperatur ein Potenzial
an, das der virtuellen Masse VM entspricht. Der Verlauf der Spannung am Ausgang
des Schalters S1 bei der Derating-Temperatur ist demnach stetig. Oberhalb der
Derating-Temperatur wird über den Umschalter S1 ein umgekehrt zur Temperatur
proportionaler Abzugswert auf den zweiten Eingang des Addierers geschaltet.
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Folgende Elemente können der Steuereinrichtung zugeordnet werden: R4, R5, R7,
R8, R9, R10, A2, A4, S1 und die Referenzspannung VR. Folgende Größe können
definiert werden: Der Ausgang von A3 bildet die Temperaturmessgröße und wird
einem Temperatureingang der Steuereinrichtung eingespeist, die gebildet wird vom
invertierenden Eingang von A2 und von einem Anschluss von R9. Einen ersten
Ausgang der Steuereinrichtung bildet der Ausgangspol des Umschalters S1. Dort wird
die Abzugsgröße bereit gestellt. Der Ausgang von A2 bildet einen zweiten Ausgang
der Steuereinrichtung, die das Abschaltsignal bereit stellt.