DE102004020583A1

DE102004020583A1 - Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102004020583A1
Application number: DE102004020583A
Authority: DE
Inventors: Norbert Fleck
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-11-17

Abstract

Schaltungsanordnung zum Betrieb von LEDs bereitzustellen, wobei der LED-Strom geregelt wird und im Wesentlichen keine Welligkeit aufweist. Die Schaltungsanordnung umfasst einen getakteten Spannungswandler, der eine Gleichspannung in eine Gleichspannung wandelt (DC-DC-Wandler), der eine Eingangsspannung in eine Ausgangsgleichspannung wandelt. Die Ausgangsgleichspannung ist an zu betreibende LEDs angeschlossen, während eine Messeinrichtung den LED-Strom erfasst. Die Messeinrichtung gibt ein Steuersignal aus, das die Ausgangsgleichspannung einstellt. Eine Ausgangsgleichspannung mit geringer Welligkeit wird dadurch erreicht, dass die Ausgangsgleichspannung an einem Kondensator anfällt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtdioden. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bereitstellung eines geregelten Stroms für Leuchtdioden mit sehr geringer Welligkeit.

Im folgenden wird der Ausdruck Leuchtdioden durch LED abgekürzt. LEDs sind im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch organische LED. Der Betrieb von LED erfordert eine Stromquelle. Die gebräuchlichen elektrischen Energiequellen stellen jedoch im wesentlichen Spannungsquellen dar. Am einfachsten wird eine LED aus einer Spannungsquelle durch Serienschaltung eines Strombegrenzungswiderstands betrieben. Nachteilig ist die Verlustleistung, die im Strombegrenzungswiderstand anfällt.

Häufig wird der Strombegrenzungswiderstand durch ein Halbleiterbauelement gebildet. Damit ist es möglich den Strom durch die LED (LED-Strom) zu regeln. Die nachteilige Verlustleistung bleibt jedoch erhalten.

Eine Möglichkeit den Strom für eine LED ohne wesentliche Verlustleistung aus einer Spannungsquelle bereitzustellen ist in der Schrift EP 948 241 (Pienisari) beschrieben. Dabei wird der LED-Strom durch eine Induktivität begrenzt. Eine Induktivität kann jedoch prinzipiell nur den Stromanstieg und nicht den Absolutwert des Stroms begrenzen. Deshalb wird in EP 948 241 (Pienisari) der LED-Strom getaktet.

Bedingt durch das erläuterte Prinzip des Betriebs enthält der LED-Strom nach EP 948 241 (Pienisari) eine Restwelligkeit, die nachteilige Wirkungen hat. Z. B. kann die Farbe oder Lebensdauer der LED beeinträchtigt sein, auch kann es zu Funkstörungen kommen.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von LEDs bereit zu stellen, wobei der LED-Strom geregelt wird und im wesentlichen keine Welligkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gelöst, die mit einem getaktetem Spannungswandler, der eine Gleichspannung in eine Gleichspannung wandelt (DC-DC-Wandler), eine Eingangsspannung in eine Ausgangsgleichspannung wandelt. Die Ausgangsgleichspannung ist an zu betreibende LEDs angeschlossen während eine Messeinrichtung den LED-Strom erfasst. Die Messeinrichtung gibt ein Steuersignal aus, das die Ausgangsgleichspannung einstellt. Eine Ausgangsgleichspannung mit geringer Welligkeit wird dadurch erreicht, dass die Ausgangsgleichspannung an einem Kondensator anfällt. Erfindungsgemäß können die LEDs ohne die Serienschaltung eines strombegrenzenden Elements direkt an die Ausgangsgleichspannung angeschlossen werden. Das direkte Anschließen der LEDs an die Ausgangsgleichspannung umfasst jedoch die Serienschaltung eines Messwiderstands.

Vorteilhaft ist der DC-DC Wandler als Inverswandler ausgeführt, im englischen Sprachgebrauch auch Buck-Boost-Wandler genannt. Ein Inverswandler erlaubt eine Ausgangsgleichspannung, die sowohl unter als auch über der Eingangsspannung liegen kann.

Weiterhin ist eine Messeinrichtung vorteilhaft, die das Integral des LED-Stroms bildet, oder den Effektivwert des LED-Stroms auswertet. Damit wird die Schaltungsanordnung unempfindlich gegen Störungen. Außerdem ist der Effektivwert des LED-Stroms maßgeblich für die Helligkeit der angeschlossenen LEDs.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert werden.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Im folgenden werden Widerstände durch den Buchstaben R, Transistoren durch den Buchstaben T, Dioden durch den Buchstaben D, Kondensatoren durch den Buchstaben C, Induktivitäten durch den Buchstaben L jeweils gefolgt von einer Zahl bezeichnet.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. An Eingangsklemmen J1, J2 ist eine Eingangsspannung UE anschließbar. UE kann z. B eine gleichgerichtete Netzspannung oder eine Batteriespannung sein. Für den Wert von UE setzt die Erfindung keine Grenzen, da das verwendete Wandlerprinzip auf- und abwärts wandeln kann.
Zwischen J1 und J2 ist die Serienschaltung eines elektronischen Schalters T1 und einer Induktivität L1 geschaltet. Parallel zu L1 ist die Serienschaltung einer Diode D1 und eines Kondensators C2 geschaltet. T1, L1, D1 und C2 bilden eine dem Fachmann für Schaltnetzteile bekannte Inverswandler-Topologie. Die Spannung an C2 bildet eine Ausgangsgleichspannung ULED.
An ULED sind über einen Messwiderstand Rsense LEDs anschließbar. Die LEDs werden bevorzugt in Serienschaltung angeschlossen. Eine Parallelschaltung ist möglich, eine gleichmäßige Stromaufteilung dann jedoch nicht gesichert.
Parallel zu ULED ist die Serienschaltung eines Widerstands R1 und einer Zenerdiode Z1 geschaltet. An Z1 fällt eine Referenzspannung ab. Als Bezugspotenzial wird das Potenzial an J1 definiert. Zu beachten ist, dass wegen des Inverswandler-Prinzips die Polarität von ULED gegenüber der Eingangsspannung UE invertiert ist. Für die Eingangsspannung UE kann deshalb J2 als Bezugspotenzial betrachtet werden, was durch die Verbindung von J2 mit einem Masse-Potenzial angedeutet ist. Über einen Spannungsteiler R3, R5 wird die o. g. Referenzspannung dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers IC1 zugeführt.
Der Spannungsabfall an Rsense wird über einen Spannungsteiler R4, R6 und einen Widerstand R2 dem invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC1 zugeführt. Da der Spannungsabfall an Rsense und die Referenzspannung auf das gleiche Bezugspotenzial bezogen sind wertet der Operationsverstärker die Differenz zwischen den beiden Spannungen aus.
Vom Ausgang des Operationsverstärkers IC1 ist ein Kondensator C1 zum invertierenden Eingang geschaltet. Am Ausgang des Operationsverstärkers steht somit das Integral der beschriebenen Spannungsdifferenz zu Verfügung. Dieses Signal wird einem Pulweiten-Modulator (PWM) IC2 zugeführt. Das PWM IC2 erzeugt ein Rechtecksignal, das den elektronischen Schalter T1 steuert. Das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit von T1 definiert ein Tastverhältnis. Dieses ist abhängig von der Spannung am Ausgangs des Operationsverstärkers IC1. Am PWM IC2 ist eine RC-Kombination RtCt angeschlossen, die die Frequenz des Rechtecksignals festlegt.
Im folgenden wird die Funktionsweise der Schaltungsanordnung erläutert: Ist die Referenzspannung größer der Spannungsabfall an Rsense, so steigt die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers IC1. Damit steigt das Tastverhältnis von T1, wodurch mehr Energie in L1 gespeichert und an C2 abgegeben wird. In der Folge steigt die Spannung an C2 (ULED) , was zu einem erhöhten LED-Strom führt, bis der Spannungsabfall an Rsense der Referenzspannung entspricht.
Der Wert von C2 wird so groß gewählt, dass ULED während eines Schaltzyklus von T1 als konstant angesehen werden kann. Damit kann die Welligkeit des LED-Strom beliebig klein gehalten werden. Dies, unabhängig von der Frequenz mit der T1 ge schaltet wird. Die Welligkeit des LED-Stroms ist als Abweichung des LED-Stroms von einem Mittelwert zu verstehen, die durch Schaltvorgänge des verwendeten DC-DC-Wandlers verursacht werden. Eine Welligkeit von unter 2% ist mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung realisierbar, ohne andere Eigenschaften der Schaltungsanordnung zu beeinträchtigen.

Claims

Schaltungsanordnung zum Betrieb von LEDs mit folgenden Merkmalen: • DC-DC-Wandler, der von einer Eingangsspannung (UE) gespeist wird und eine Ausgangsgleichspannung (ULED) bereit stellt an die LEDs (LED1-n) anschließbar sind und von einem LED-Strom durchflossen werden, • eine Messeinrichtung, die den LED-Strom erfasst und die ein Steuersignal ausgibt, das die Ausgangsgleichspannung (ULED) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgleichspannung (ULED) an einem Kondensator (C2) anliegt und an die die LEDs direkt anschließbar sind.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung den LED-Strom integriert.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-DC-Wandler eine Serienschaltung aus einem elektronischen Schalter (T1) und einer Induktivität (L1) umfasst, wobei der elektronische Schalter (T1) mit einer Periodendauer geschaltet wird und der Wert des Kondensators (C2) so gewählt ist, dass der Wert der Ausgangsgleichspannung (ULED) während einer Periodendauer im wesentlichen konstant bleibt.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wert der Ausgangsgleichspannung (ULED) während einer Periodendauer um höchstens 2% ändert.
Betriebsgerät gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C2) seriell zu einer Diode (D1) geschaltet ist und diese Serienschaltung parallel zur Induktivität (L1) geschaltet ist.