DE102004014192B4

DE102004014192B4 - Leistungssteuervorrichtung zur Steuerung der Leistung einer Energiequelle

Info

Publication number: DE102004014192B4
Application number: DE102004014192A
Authority: DE
Inventors: Stefan Blattl
Original assignee: KWL LIGHTING GmbH; KWL-LIGHTING GmbH
Current assignee: KWL LIGHTING GmbH; KWL-LIGHTING GmbH
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: DE102004014192A1

Abstract

Leistungssteuervorrichtung (1) zur Steuerung der Leistung einer Energiequelle (2), die zum Betreiben zumindest eines Leuchtelementes (3, 4) dient, mit
einem Messelement (13), das den durch das Leuchtelement (3, 4) fließenden Strom misst, einer Steuereinrichtung (45, 73), die einen Steuerwert erzeugt, und
einem Steuerelement (50),
wobei das Messelement (13) und die Steuereinrichtung (45, 73) so geschaltet sind, dass ein Messwert des Messelementes (13), der den durch das Leuchtelement (3, 4) fließenden Strom angibt, und der Steuerwert summiert sind,
wobei das Steuerelement (50) die Leistungsabgabe der Energiequelle (2) verringert beziehungsweise deaktiviert, wenn die Summe aus dem Messwert und dem Steuerwert größer als ein Schwellwert des Steuerelementes (50) ist,
wobei das Steuerelement (50) die Leistungsabgabe der Energiequelle (2) erhöht beziehungsweise aktiviert, wenn die Summe aus dem Messwert und dem Steuerwert kleiner als der Schwellwert ist,
wobei eine Einrichtung (9, 27, 39; 72) vorgesehen ist, die eine Hilfs-...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungssteuervorrichtungen zur Steuerung der Leistung zumindest einer Energiequelle, insbesondere Leistungssteuervorrichtungen zur Steuerung der Leistung einer Energiequelle, die zum Betreiben eines oder mehrerer Leuchtelemente dient.

Bei bekannten Leistungssteuervorrichtungen für lichtemittierende Dioden (LED) erfolgt die Leistungssteuerung mittels pulsweitenmodulierten Impulsen mit konstantem Spannungspegel. Hierbei wird der Strom durch einen ohmschen Widerstand auf einen konstanten Wert begrenzt. Die Leistungssteuerung (Dimmung) wird durch das Verhältnis von Impuls- zu Pausenzeit und damit durch den Durchschnittsstrom bestimmt.

Außerdem sind auch analoge Dimmer bekannt, die die zugeführte Spannung verändern, wodurch sich der Strom durch den vorgesehenen Begrenzungswiderstand und die LEDs ändert.

Zur Steuerung der Pulsweite beziehungsweise der Maximalspannung kann eine Steuereinrichtung dienen. Bei bekannten Steuereinrichtungen ist eine Recheneinheit (Mikrocontroler) vorgesehen, die ein Steuersignal in ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal beziehungsweise in einen bestimmten Spannungspegel umsetzt. Als Steuersignal kommen insbesondere digitale Protokolle zur Übertragung von Helligkeitswerten für verschiedene nachgeordnete Zweige von Leuchtelementen in Frage. Beispiele für bekannte digital kodierte Eingangssteuersignale sind DMX, DSI und DALI. Die bekannte Technik eignet sich für Leuchtanlagen, wie Ampeln und Videowände sowie für Beleuchtungsanlagen, insbesondere als Leuchte für die Innenbeleuchtung.

Das bekannte Steuersignal hat eine Auflösung von 8 Bit, so dass sich pulsweitenmodulierte Ausgangssignale mit 256 verschiedenen Weiten erzeugen lassen. Es können jedoch auch höher kodierte Eingangssignale verwendet werden, wie zum Beispiel mit 16 Bit.

Die bekannte Leistungssteuervorrichtung hat den Nachteil, dass sie nur für bestimmte Leuchtelemente geeignet ist. Dies ist insbesondere durch die maximale von der Leistungssteuervorrichtung erzeugte Spannung bedingt, mit der zumindest im wesentlichen der maximale Leistungsbedarfs des Leuchtelementes abrufbar sein soll, ohne dass es zu einer Überlastung des Leuchtelements kommen kann. Beispielsweise kann ein nachgeordneter Zweig von Leuchtelementen aus einer bestimmten Anzahl von LEDs bestehen, die in Reihe geschaltet sind. Die Leistungssteuervorrichtung eignet sich dann nur für diese bestimmte Zahl von LEDs, so dass für den Betrieb einer anderen Anzahl an LEDs eine aufwändige Anpassung oder eine andere Leistungssteuervorrichtung erforderlich ist.

Aus der US 5,949,661 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die zur Steuerung des Ausgangsstroms einer Energiequelle dient. Die bekannte Schaltungsanordnung ermöglicht dabei eine Strombegrenzung, die in der Höhe trimmbar ist.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Leistungssteuervorrichtung zur Steuerung einer Leistung einer Energiequelle anzugeben, bei der eine Anpassung an den Leistungsbedarf zumindest eines betriebenen Leuchtelementes und insbesondere eine Anpassung an die Anzahl der betriebenen Leuchtelemente erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch eine Leistungssteuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Leistungssteuervorrichtung steuert die Leistung einer Energiequelle. Die Energiequelle dient dabei zum Betreiben zumindest eines Leuchtelementes. Die Leistungssteuervorrichtung umfasst ein Messelement, das den durch das Leuchtelement fließenden Strom misst, und eine Steuereinrichtung, die einen Steuerwert erzeugt. Der Messwert des Messelementes wird mit dem Steuerwert summiert und die Summe dieser Messwerte dient zum Ansteuern des Steuerelementes. Sofern diese Summe größer als ein Schwellwert des Steuerelements ist, verringert beziehungsweise deaktiviert das Steuerelement die Leistungsabgabe der Energiequelle. Andererseits erhöht beziehungsweise aktiviert das Steuerelement die Leistungsabgabe der Energiequelle, wenn diese Summe kleiner als der Schwellwert ist.

Die erfindungsgemäße Leistungssteuervorrichtung hat den Vorteil, dass der aktuelle Betriebszustand, insbesondere die Leistungsaufnahme, des zumindest einen Leuchtelementes mittels des Messwertes durch das Messelement erfasst wird. Zusammen mit dem Steuerwert, der das Verhältnis der abgegebenen Soll-Leistung in Bezug auf die Maximalleistung vorgeben kann, kann in jedem Betriebszustand die Leistungssteuervorrichtung eine Anpassung an das eine oder die mehreren Leuchtelemente, insbesondere im Bezug auf wechselnde Lastverhältnisse, vornehmen.

Daher eignet sich die erfindungsgemäße Leistungssteuervorrichtung für eine Vielzahl von unterschiedlichen Leuchtelementen, von denen gegebenenfalls mehrere in Reihe geschaltet sind. Außerdem kann sogar während des Betriebs eine Umschaltung erfolgen, zum Beispiel von 7 LEDs auf 2 LEDs.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der oben genannten erfindungsgemäßen Steuervorrichtung möglich.

In vorteilhafter Weise erzeugt die Steuereinrichtung den Steuerwert in Abhängigkeit von einem Steuereingangssignal. Für das Steuereingangssignal kommen insbesondere bekannte analog oder digital codierte Eingangssteuersignale in Frage. Durch das Steuereingangssignal kann sowohl linear als auch progressiv das Verhältnis der Soll-Leistung in Bezug auf die Maximalleistung des zumindest einen Leuchtelementes vorgegeben werden.

Die Steuereinrichtung kann den Steuerwert in Abhängigkeit von dem Steuereingangssignal erzeugen, wobei die Abhängigkeit insbesondere linear oder logarithmisch sein kann. Außerdem kann das Steuereingangssignal auch eine Anfangsabflachung im unteren Leistungsbereich aufweisen, um speziell bei dem Einsatz von LEDs einen sprunghaften Anstieg der Helligkeit zu vermeiden.

Dabei ist es ferner vorteilhaft, dass die Steuereinrichtung einen Signalumsetzer umfasst. Der Signalumsetzer kann insbesondere so ausgebildet sein, dass eine einstellbare Umsetzung des Steuereingangssignals möglich ist. Beispielsweise kann bei einem analogen Steuereingangssignal oder bei einem aus einem digitalen Steuereingangssignal gewonnen analogen Steuereingangssignal eine Differenzbildung in Bezug auf ein Referenzwert erfolgen und diese Differenz mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor verstärkt beziehungsweise abgeschwächt werden. Hierfür kann die Steuereinrichtung einen Differenzverstärker umfassen.

Es ist weiter vorteilhaft, dass der Signalumsetzer das Steuereingangssignal derart umsetzt, dass für einen Wert des Eingangssteuersignals, der eine Deaktivierung der Energiequelle vorgibt, ein Steuerwert erzeugt wird, der nicht kleiner als der Schwellwert ist. Dabei ist es ferner vorteilhaft, dass in diesem Fall ein Steuerwert erzeugt wird, der zumindest etwas größer als der Schwellwert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Deaktivierung der Leistungsabgabe an die Leuchtelemente allein mittels des Steuereingangssignals vorgegeben werden kann. Durch einen Steuerwert, der zumindest etwas größer als der Schwellwert ist, ist sichergestellt, dass auch bei Berücksichtigung von Bauteiltoleranzen oder dergleichen die Deaktivierung der Leistungsabgabe oder eine Abschaltung der Energiequelle erfolgt.

Vorteilhaft ist es, dass der Steuerwert durch ein Einstellmittel, insbesondere einen einstellbaren Widerstand, einstellbar vorgebbar ist. Dadurch ist eine kostengünstige Ausführungsform gegeben, bei der die Leistungssteuervorrichtung die Funktion eines mechanisch einstellbaren Dimmers aufweist.

In vorteilhafter Weise ist der Steuerwert eine Steuerspannung, der Messwert eine Messspannung und das Steuerelement ist zumindest mit der Summe aus der Steuerspannung und der Messspannung beaufschlagt. Insbesondere kann das Messelement als Messwiderstand ausgebildet sein, so dass ein Stromfluss durch den Messwiderstand den Messwert erzeugt. Die Summe aus der Steuerspannung und der Messspannung kann die Diode eines optischen Kopplungselementes beaufschlagen, das heißt in diesem Fall ist das Steuerelement als Diode ausgebildet.

In vorteilhafter Weise sind der Messwert des Messelementes und der Steuerwert durch einen Addierer, insbesondere einen Operationsverstärker, summiert. Die Summierung kann allerdings auch durch eine geeignete Reihenschaltung oder auf andere Weise erfolgen.

Das Messelement kann auch als Hallelement ausgebildet sein, wobei der durch das Leuchtelement fließende Strom zur Erzeugung eines magnetischen Feldes verwendet wird, das auf das Hallelement einwirkt, um eine Hallspannung zu erzeugen. In diesem Fall stellt diese Hallspannung den Steuerwert dar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsteuervorrichtung und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungssteuervorrichtung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungssteuervorrichtung 1. Die Leistungssteuervorrichtung 1 dient zur Steuerung der Leistung einer Energiequelle 2, die insbesondere zum Betreiben zumindest eines Leuchtelementes 3, 4 dient. Durch die Leistungssteuervorrichtung wird daher mittelbar die Helligkeit eines oder mehrerer Leuchtelemente 3, 4 gesteuert. Insbesondere dient die Leistungssteuervorrichtung 1 zur Steuerung einer Leuchtanlage, wie einer Ampel oder einer Videowand, oder zur Steuerung einer Beleuchtungsanlage, wie einer Leuchte für die Beleuchtung eines Raumes. Weitere Anwendungen sind die Ansteuerung von Leuchtschildern, die zum Beispiel in Fußballstadien oder auf Bahnsteigen verwendet werden, wobei sich die Anzeige von Lichtstreifen, Videofilmen oder dergleichen verwirklichen lässt. Ferner eignet sich die erfindungsgemäße Leistungssteuervorrichtung 1 auch zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung, zum Beispiel für Anzeigeelemente und Bildschirmsichtgeräte, wie sie für Computer, Mobilfunktelefone und tragbare elektronische Terminkalender verwendet werden. Die erfindungsgemäße Leistungssteuervorrichtung 1 ist jedoch auch für andere Anwendungsfälle geeignet.
Die Energiequelle 2 weist einen als Netzanschluss ausgebildeten Anschluss 5 auf, der zum Anschließen einer Versorgungswechselspannung mit zum Beispiel 110 Volt oder 230 Volt dient. Die Energiequelle 2 weist außerdem einen Anschluss 6 auf, der zum Ausgeben einer positiven Versorgungsspannung dient. Ferner ist ein Anschluss 7 vorgesehen, der zum Ausgeben einer negativen Spannung dient. Die zwischen den Anschlüssen 6 und 7 ausgegebene Spannung der Energiequelle 2 ist allerdings von der Spannung am Anschluss 5 und dem zugehörigem Nullpotential entkoppelt.
Der Anschluss 6 der Energiequelle 2 ist mittels einer Leitung 8 mit einer Diode 9 verbunden, die andererseits mittels einer Leitung 10 mit einem Anschlusskontakt 11 verbunden ist. Die Diode 9 ist von dem Anschluss 6 zum Anschlusskontakt 11 hin in Durchlassrichtung geschaltet. Ferner ist der Anschluss 7 der Energiequelle 2 mittels einer Leitung 12 mit einem Messelement 13 verbunden, das andererseits durch eine Leitung 14 mit einem Anschlusskontakt 15 verbunden ist. Die Anschlusskontakte 11, 15 dienen zum Anschließen eines oder mehrerer Leuchtelemente 3, 4. Die Leuchtelemente 3, 4 bilden zusammen mit gegebenenfalls weiteren Leuchtelementen eine Gruppe 20 von in Reihe geschalteten Leuchtelementen. Die Gruppe der Leuchtelemente 3, 4 kann dabei auch auch einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Je nach Anschlusskenndaten der Leuchtelemente 3, 4 und der Anzahl der Leuchtelemente 3, 4 der Gruppe 20 wird eine andere maximale Spannung benötigt, um die maximale Betriebsleistung der Leuchtelemente 3, 4 zu erreichen, Die Leistungssteuervorrichtung 1 gewährleistet eine Anpassung an diese unterschiedlichen Anschlussparameter, wie es im folgenden im Detail beschrieben ist.
An dem Verbindungsknoten 25 ist eine Leitung 26 mit der Leitung 14 verbunden. Die Leitung 26 verbindet dadurch mittelbar den Anschlusskontakt 15 mit einem Begrenzelement 27, das als Zenerdiode ausgebildet ist. Das Begrenzelement 27 ist andererseits mittels einer Leitung 28 an einem Verbindungsknoten 29 mit einer Leitung 30 verbunden. Das Begrenzelement 27 ist von dem Verbindungsknoten 29 zu dem Verbindungsknoten 25 hin in Sperrrichtung geschaltet. Durch das Segrenzelement 27 wird in Bezug auf die Spannung am Anschlusskontakt 15 eine Hilfsspannung an dem Verbindungsknoten 29 erzeugt. Alternativ kann die Hilfsspannung an dem Verbindungsknoten 29 auch durch eine Batterie oder dergleichen erzeugt werden.
Ein als einstellbarer Widerstand ausgebildetes Einstellmittel 35 ist einerseits mittels einer Leitung 36 mit dem Verbindungsknoten 29 und andererseits mittels einer Leitung 37 an einem Verbindungsknoten 38 mit der Leitung 14 verbunden.
Ein Vorwiderstand 39 ist einerseits mittels einer Leitung 40 an einem Verbindungsknoten 41 mit der Leitung 8 verbunden und andererseits mittels der Leitung 30 mit dem Verbindungsknoten 29 verbunden. Durch den Vorwiderstand 39 fließt ein Strom, der zumindest teilweise durch das Begrenzelement 27 zum Erzeugen der an dem Verbindungsknoten 29 anliegenden Hilfsspannung fließt. Für den Fall, dass die Hilfsspannung mittels einer Batterie oder dergleichen erzeugt wird, kann der Vorwiderstand 39 entfallen.
Durch das Einstellmittel 35 lässt sich die an der Basis eines Transistors 45 anliegende Spannung einstellen, und zwar zwischen der Spannung an dem Verbindungsknoten 29 und der Spannung an dem Verbindungsknoten 38. Der Kollektor des Transistors 45 ist mittels einer Leitung 46 an dem Verbindungsknoten 47 mit der Leitung 8 verbunden. Ferner ist der Emitter des Transistors 45 mittels einer Leitung 48 mit einem Steuerelement 50 verbunden. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Steuerelement 50 Teil der Energiequelle 2.
Außerdem ist ein weiteres als Zenerdiode ausgebildetes Begrenzelement 51 vorgesehen, das einerseits an dem Verbindungsknoten 52 mit der Leitung 48 und andererseits an einem Verbindungsknoten 53 mit der Leitung 8 verbunden ist. Dabei ist das Begrenzelement 51 von dem Verbindungsknoten 53 zu dem Verbindungsknoten 52 hin. in Sperrrichtung geschalten. Das Begrenzungselement 51 dient zum Begrenzen der Spannung zwischen der Leitung 8 und der Leitung 48, um die für die Leuchtelemente 3, 4 maximal erforderliche Spannung vorzugeben.
Das Steuerelement 50 ist außerdem mittels einer Leitung 54 an einem Verbindungsknoten 55 mit der Leitung 12 verbunden. Das Steuerelement 50 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Diode eines optischen Kopplungselementes 60 ausgebildet, die von dem Emitter des Transistors 45 zu dem Verbindungsknoten 55 hin in Durchlassrichtung geschalten ist. Das optische Kopplungselement 60 weist außerdem ein als Fototransistor ausgebildetes Schaltelement 61 auf, wobei die Verschaltung des Schaltelements 61 mit der Energiequelle 2 auf übliche Weise erfolgt und zur Vereinfachung der Darstellung nicht dargestellt ist.
Das Steuerelement 50 gibt einen Schwellwert vor, ab dem eine Betätigung des Schaltelements 61 erfolgt. Der als Impedanzwandler, das heißt insbesondere niederohmig, ausgebildete pnp-Transistor 45 bedingt in Abhängigkeit von der Einstellung des Einstellmittels 35 einen Emitterstrom, der in Bezug auf die Spannung am Anschlusskontakt 15 eine Steuerspannung bedingt.
Außerdem bedingt der Stromfluss durch die Gruppe 20 der Leuchtelemente 3, 4 einen Spannungsabfall an dem als Messwiderstand ausgebildeten Messelement 13, der den Messwert des Messelements 13 darstellt. Zwischen dem Verbindungskontakt 55, das heißt dem Anschluss 7 der Energiequelle 2, und dem Anschlusskontakt 15 ergibt sich daher ein dem Messwert entsprechender weiterer Spannungsabfall, der sich zu dem durch den Transistor 45 erzeugten Steuerwert addiert.
Für den Fall, dass die Summe aus dem Messwert und dem Steuerwert größer als der Schwellwert des Steuerelementes 50 ist, betätigt das Steuerelement 50 das Schaltelement 61 des optischen Kopplungselementes 60, wodurch die Leistung der Energiequelle verringert wird. Für den anderen Fall, dass die Summe aus dem Messwert und dem Steuerwert kleiner als der Schwellwert des Steuerelementes 50 ist, erfolgt keine Betätigung des Schaltelementes 61, wodurch das Steuerelement 50 die Leistung der Energiequelle erhöht.
Die Funktionsweise der Leistungssteuervorrichtung 1 wird im Folgenden anhand einer konkreten Ausführungsform weiter erläutert.
Das Begrenzerelement 27 kann eine Spannung von 3 Volt vorgeben. Entsprechend ist die Diode 9 so gewählt, dass eine Minimalspannung von mindestens 3 Volt zwischen dem Anschlusskontakt 11 und dem Anschlusskontakt 15 auch bei minimaler Last anliegt. Der Vorwiderstand 39 kann einen Widerstand von 8,2 kΩ haben und der einstellbare Widerstand 35 kann einen Maximalwiderstand von 100 kΩ haben. Der Widerstand 13 kann ein Widerstand von 8,2 Ω haben und der Begrenzer 51 kann eine Begrenzungsspannung von 22 Volt aufweisen, um die Spannung am Anschluss 6 der Energiequelle 2 auf 24 Volt zu begrenzen. Der Transistor 45 kann vom Typ BC547 sein. Die Schwellspannung des Steuerelementes 50 kann ca. 1,6 Volt betragen.
Ist das Einstellmittel 35 so eingestellt, dass am Emitter des Transistors 45 die Spannung am Verbindungsknoten 38 anliegt, dann wird der Leistungsanstieg lediglich durch den Messwert des Messelementes 13 begrenzt. Bei Verwendung des Typs BC547 als Emitterfolger wird dies durch Anlegen von 0,7 Volt an der Basis des Transistors 45 erreicht. Bei etwa 200 mA ergibt sich dann am Messwiderstand 13 ein Spannungsabfall von 1,6 Volt, wodurch eine Betätigung des Steuerelementes 50 erreicht wird. Das heißt in diesem Fall ist die maximale Leistung durch den maximalen Stromfluss von 200 mA gegeben.
Wird das Einstellmittel 35 so eingestellt, dass die am Emitter des Transistors 45 gegenüber dem Anschlusskontakt 15 ausgegebene Steuerspannung 1,6 Volt oder etwas größer als 1,6 Volt ist, dann wird das Steuerelement 50 bereits aufgrund des durch die Steuerspannung gebenden Steuerwertes betätigt, wodurch die Energiequelle abgeschalten wird. Der Stromfluss durch die Leuchtelemente 3, 4 ist dann 0 mA.
Durch Wahl entsprechender Zwischenwerte an dem Einstellmittel 35 kann eine Dimmung der Leuchtelemente 3, 4 erfolgen, die je nach Ausbildung des Einstellmittels 35 stufenlos oder in Stufen erfolgen kann.
Wird beispielsweise durch das Einstellmittel 35 ein Steuerwert von 0,8 Volt vorgegeben, dann ist zum Betätigen des Steuerelementes 50 ein weiterer Spannungsabfalls von 0,8 Volt an dem Messelement 13 erforderlich, was in etwa einem Strom von 100 mA entspricht. Bei diesen 100 mA wird eine mittlere Leistungsabgabe der Leuchtelemente 3, 4 erreicht.
Alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das Einstellmittel 35 die an den Basisanschluss des Transistors 45 auch aus einem Steuereingangssignal erzeugen. Dabei ist zu beachten, dass eine Erhöhung der Basisspannung eine Verringerung der Leistungsabgabe der Energiequelle 2 bedingt und umgekehrt.
Ein weiterer Vorteil der Leistungssteuervorrichtung 1 ist, dass durch die steuerbare Strombegrenzung eine Dimmung der Leuchtelemente 3, 4 ohne Begrenzungswiderstand gegeben ist. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann die den Steuerwert darstellende Steuerspannung so verändert werden, dass sich die Strombegrenzung bis auf 0 mA einstellen lässt. Alternativ kann das Messelement 13 auch durch die Steuereinrichtung beaufschlagt werden, um den Steuerwert zu erzeugen. Beispielsweise kann das Messelement 13 als spannungsgesteuerter Widerstand, insbesondere als Feldeffekttransistor, ausgebildet sein. In Hinblick auf die anfallende Verlustleistung ist ein solches steuerbares Messelement 13 vorzugsweise niederohmig ausgeführt.
Als Energiequelle 2 können verschiedenste Wandler oder Regler mit zugänglicher Rückmeldeeinrichtung, die insbesondere als ein optisches Kopplungselement 60 ausgebildet sein kann, verwendet werden, insbesondere wenn der Wandler beziehungsweise Regler ein solcher ist, der eine maximale Spannung bereitstellt und seine Ausgangsspannung den nachgeschalteten Leuchtelementen 3, 4 anpassen kann, wie dies beispielsweise bei einem ungeregelten Sperrwandler der Fall ist.
An den Anschluss 5 der Energiequelle 2 sind vorzugsweise Eingangsspannungen von 85 Volt bis 250 Volt Wechselspannung anlegbar. Die schwebende Ausgangsspannung der Energiequelle kann beispielsweise auf 24 Volt Gleichspannung begrenzt sein, wobei ein maximaler Ausgangsstrom von 200 mA bereitgestellt wird.
Eine weitere Variante ist die Ausbildung mit einem in der Leitung 8 vorgesehenen Messelement und einem als Emitterfolger (zum Beispiel BC557) wirkenden pnp-Transistor. Die Ausgangsspannung der Energiequelle 2 bestimmt sich durch die Summe der in Reihe geschalteten Leuchtelemente 3, 4 bis zur Spannungsbegrenzung von 24 Volt.
Die oben genannten konkreten Werte sind jedoch nur als eine mögliche Konkretisierung zu verstehen, um die Funktionsweise der Erfindung weiter zu erläutern.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Leistungssteuervorrichtung 1. Sich entsprechende Elemente sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, wodurch sich eine wiederholende Beschreibung erübrigt.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Leitung 14 an einem Verbindungsknoten 70 auf Masse 71, das heißt 0 Volt, gelegt. Außerdem ist eine Einrichtung 72 zur Erzeugung einer Betriebsspannung für eine Steuereinrichtung 73 vorgesehen.
Die Einrichtung 72 übernimmt dabei die Funktion des Widerstands 39, der Diode 9 und des Begrenzers 27 des ersten Ausführungsbeispiels. Die Steuereinrichtung 73 übernimmt die Funktion des Einstellmittels 35 und des Transistors 45 des ersten Ausführungsbeispiels.
Die Einrichtung 72 umfasst eine Wicklung 74, die eine gewisse Spannung der Energiequelle 2 abgreift, beispielsweise im Bereich von 10 bis 30 Volt. Die Wicklung 74 ist mit einer Diode 75 verbunden, die zur Gleichrichtung der abgegriffenen Wechselspannung dient. Außerdem ist ein Kondensator 76, insbesondere ein Elektrolytkondensator, vorgesehen, der zur Glättung der durch die Diode 75 gleichgerichteten Spannung dient. Ferner ist ein Umsetzer 77 vorgesehen, der aus der gleichgerichteten und geglätteten Spannung eine zumindest im wesentlichen konstante Gleichspannung von 10 Volt erzeugt. Diese Gleichspannung wird über die Leitung 78 an eine Konstantstromquelle 79 geführt, die einen konstanten Strom von 0,1 mA ausgibt.
Die Leistungssteuervorrichtung 1 weist einen Eingangsanschluss 80 auf, an den ein Steuereingangssignal anlegbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass das Steuereingangssignal aus einer sinkfähigen Steuerspannung mit einem Spannungsbereich von 1 bis 10 Volt gegeben ist. Alternativ kann an den Eingangsanschluss 80 auch ein einstellbarer Widerstand angeschlossen werden, der einen Widerstandsbereich von 10 kΩ bis 10 0 kΩ hat.
Der von der Konstantstromquelle 79 über eine Leitung 81 ausgegebene konstante Strom bedingt in Bezug auf das Steuereingangssignal beziehungsweise den einstellbaren Widerstand eine Spannung an dem Verbindungsknoten 82, wobei der Eingangsanschluss 80 einerseits über eine Leitung 83 an dem Verbindungsknoten 82 mit der Leitung 81 und andererseits (mit seinem zweiten Kontakt) mit der Masse 84 verbunden ist.
Die Steuereinrichtung 73 weist ein Verstärkerelement 90 auf, das von einer Versorgungsspannung an einem Anschlusskontakt 91 von zum Beispiel 10 Volt gegenüber Masse 92 betrieben wird. Dabei ist der invertierende Eingang des Verstärkerelementes 90 über eine Leitung 93, einen Widerstand 94 und die Leitung 81 mit dem Verbindungsknoten 82 verbunden. Außerdem ist ein weiterer Anschluss 95 vorgesehen, an dem ebenfalls eine Spannung von 10 Volt anlegt sein kann, wobei der Anschluss 95 über eine Leitung 96, einen Widerstand 97, eine Leitung 98 und einen Widerstand 99 mit Masse 100 verbunden ist. Die Leitung 98 ist an dem Verbindungsknoten 101 über eine Leitung 102 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkerelementes 90 verbunden.
Der Ausgang 103 des Verstärkerelementes 90 ist mit einer Leitung 104 verbunden, die an einem Verbindungskontakt 105 mit der Leitung 48 verbunden ist. Über die Leitung 104, die Leitung 48, einen Widerstand 106, eine Leitung 107, die an dem Verbindungsknoten 108 mit der Leitung 93 verbunden ist, und die Leitung 93 ist das Ausgangssignal des Verstärkerelementes 90 an den invertierten Eingang des Verstärkerelementes 90 zurückgeführt.
Durch die oben beschriebene Anordnung ist ein Differenzverstärker gebildet, der Teil der Steuereinrichtung 73 ist.
Die Widerstände 94 und 97 sind vorzugsweise gleich groß und haben beispielsweise einen Widerstand von jeweils 549 kΩ. Die Widerstände 106 und 99 sind ebenfalls vorzugsweise gleich groß und haben beispielsweise jeweils einen Widerstand von 100 kΩ. Danach ergibt sich die Verstärkung V des Differenzverstärkers aus folgender Gleichung: 1/V = 549 kΩ/100 kΩ = 5,49
Für diese Werte ist V < 1, so dass der Differenzverstärker die Differenz zwischen dem an dem Eingangsanschluss 80 anliegenden Steuereingangssignal und der Referenzspannung am Anschlusskontakt 95 von 10 Volt abschwächt.
Die an den Anschlusskontakten 91, 95 anliegende Spannung von beispielsweise 10 Volt kann aus der Leitung 78 abgezweigt werden.
Ist die am Verbindungskontakt 82 anliegende Eingangsspannung beispielsweise 10 Volt, dann ergibt sich eine Spannungsdifferenz von 0 Volt, so dass die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ebenfalls 0 Volt ist. In diesem Fall wird die Spannung der Energiequelle 2 nur durch den Messwert des Messelementes 13 begrenzt. Bei 200 mA Stromfluss durch die Leuchtelements 3, 4 fallen am Messelement 13, der als Messwiderstand ausgebildet ist, 1,64 Volt ab, so dass am Verbindungsknoten 55 –1,64 Volt anliegen, die gegenüber der Spannung am Verbindungsknoten 105 von 0 Volt einen Spannungsabfall am Steuerelement 50 von 1,64 Volt bedingen. Dadurch betätigt das Steuerelement 50 das Schaltelement 61, um die Spannung der Energiequelle 2 zu begrenzen.
Für den Fall, dass die am Verbindungskontakt 82 anliegende Eingangsspannung 1 Volt ist, ergibt sich eine Spannungsdifferenz von 9 Volt, was eine Ausgangsspannung des Differenzverstärkers von 1,64 Volt bedingt. In diesem Fall wird die Spannung bereits aufgrund der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers, das heißt des Steuerwertes der Steuereinrichtung 73 begrenzt. Denn bei einem Strom durch die Leuchtelemente 3, 4 von 0 mA liegen am Optokoppler einerseits, das heißt am Verbindungskontakt 55, 0 Volt und andererseits, das heißt am Verbindungskontakt 105, 1,64 Volt an. Somit ergibt sich ein Spannungsabfall von 1,64 Volt am Steuerelement 50.
Bei einer Eingangsspannung am Verbindungskontakt 82 von 5,5 Volt, was einem Signalpegel von 50% entspricht, ergibt sich eine Differenzspannung von 4,5 Volt. Für die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ergibt sich 4,5 Volt/5,49 = 0,82 Volt (am Verbindungskontakt 105). Eine Spannungsbegrenzung durch das Steuerelement 50 erfolgt, wenn an diesem noch die Differenz zu 1,64 Volt, das heißt weitere 0,82 Volt abfallen. Dies entspricht einem Strom durch den Messwiderstand 13 von 0,82 Volt/8,2 Ω = 100 mA. Dann ergibt sich nämlich am Verbindungsknoten 55 eine Spannung von –0,82 Volt, was im Bezug auf die Spannung am Verbindungsknoten 105 zu einer Beaufschlagung des Steuerelements 50 mit 1,64 Volt führt.
Die ermittelten 100 mA sind 50% des oben ermittelten Maximalstroms von 200 mA, was mit dem 50% Signalpegel übereinstimmt.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 73 so ausgebildet, dass für den minimalen Pegel des Steuereingangssignals ein Spannungswert am Verbindungsknoten 105 ausgegeben wird, der etwas größer als die Schwellspannung (Schwellwert) des Steuerelementes 50 ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei einem minimalen Pegel des Steuereingangssignals eine zuverlässige Abschaltung der Energiequelle 2 erfolgt. Dies kann beispielsweise durch eine etwas stärker eingestellte Abschwächung des beschriebenen Differenzverstärkers erreicht werden. In diesem Fall ist die Verstärkung V etwas kleiner als die oben beschriebene Verstärkung zu wählen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können der Steuerwert und der Messwert auch als Stromwerte ermittelt werden. In diesem Fall ist der Schwellwert vorzugsweise als Stromwert vorgegeben. Die Summenbildung und der Vergleich mit dem Schwellwert kann dann beispielsweise durch geeignet ausgebildete Spulen erfolgen.
Außerdem ist es möglich, dass mehrere Gruppen von Leuchtelementen parallel zu der Gruppe 20 mit den Leuchtelementen 3, 4 hinzugeschaltet sind.

Claims

Leistungssteuervorrichtung (1) zur Steuerung der Leistung einer Energiequelle (2), die zum Betreiben zumindest eines Leuchtelementes (3, 4) dient, mit einem Messelement (13), das den durch das Leuchtelement (3, 4) fließenden Strom misst, einer Steuereinrichtung (45, 73), die einen Steuerwert erzeugt, und einem Steuerelement (50), wobei das Messelement (13) und die Steuereinrichtung (45, 73) so geschaltet sind, dass ein Messwert des Messelementes (13), der den durch das Leuchtelement (3, 4) fließenden Strom angibt, und der Steuerwert summiert sind, wobei das Steuerelement (50) die Leistungsabgabe der Energiequelle (2) verringert beziehungsweise deaktiviert, wenn die Summe aus dem Messwert und dem Steuerwert größer als ein Schwellwert des Steuerelementes (50) ist, wobei das Steuerelement (50) die Leistungsabgabe der Energiequelle (2) erhöht beziehungsweise aktiviert, wenn die Summe aus dem Messwert und dem Steuerwert kleiner als der Schwellwert ist, wobei eine Einrichtung (9, 27, 39; 72) vorgesehen ist, die eine Hilfs- oder Betriebsspannung für die Steuereinrichtung (45, 73) erzeugt, und wobei die Steuereinrichtung (45, 73) den Steuerwert in Abhängigkeit von einem Steuereingangssignal aus der Hilfs- oder Betriebsspannung erzeugt.
Leistungssteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (73) einen Signalumsetzer (90), insbesondere einen Differenzverstärker, umfasst.
Leistungssteuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalumsetzer (90) das Steuereingangssignal derart umsetzt, dass für einen Wert des Eingangssteuersignals, der eine minimale Leistung, insbesondere eine verschwindende Leistung, für die Energiequelle (2) vorgibt, ein Steuerwert erzeugt wird, der nicht kleiner als der Schwellwert ist.
Leistungssteuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalumsetzer (90) das Steuereingangssignal derart umsetzt, dass für einen Wert des Eingangssteuersignals, der eine Deaktivierung der Energiequelle (2) vorgibt, ein Steuerwert erzeugt wird, der zumindest etwas größer als der Schwellwert ist.
Leistungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerwert durch ein Einstellmittel (35) einstellbar ist.
Leistungssteuervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel (35) ein einstellbarer Widerstand ist.
Leistungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (13) ein Messwiderstand ist.
Leistungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerwert auf einen Wert einstellbar ist, der zumindest etwas größer als der Schwellwert ist.
Leistungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerwert eine Steuerspannung ist, dass der Messwert eine Messspannung ist und dass das Steuerelement zumindest mit der Summe aus der Steuerspannung und der Messspannung beaufschlagt ist.
Leistungssteuervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Kopplungselement (60) vorgesehen ist und dass das Steuerelement (50) als Diode des optischen Kopplungselementes (60) ausgebildet ist, wobei der Schwellwert die Schwellspannung der Diode des optischen Kopplungselements (60) ist, bei der das optische Kopplungselement (60) betätigt wird.
Leistungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert des Messelementes (13) und der Steuerwert durch einen Addierer, insbesondere einen Operationsverstärker, summiert sind.