DE102004034359B3

DE102004034359B3 - Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtzeichens

Info

Publication number: DE102004034359B3
Application number: DE102004034359A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Röhl; Harald Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtzeichens mit mehreren parallel geschalteten Leuchtdiodenketten (H1a, H1b; H2a, H2b; H3a, H3b), denen jeweils eine Konstantstromquelle (T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3) zugeordnet ist, wobei die Konstantstromquellen (T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3) aus einer gemeinsamen Spannungsquelle (V1) gespeist sind. Um eine exakte Ausregelung von Spannungsschwankungen bei erhöhtem Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Konstantstromquellen (T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3) jeweils über eine Oder-Verknüpfung mit einem gemeinsamen Schaltungselement zur Regelung der Referenzspannung der Konstantstromquellen (T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtzeichens mit mehreren parallel geschalteten Leuchtdiodenketten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich im Wesentlichen auf signaltechnische Leuchten für Bahnsicherungsanlagen, ohne dass die Erfindung auf diesen Anwendungsbereich beschränkt ist. Denkbar sind beispielsweise auch Anwendungen für Kraftfahrzeuge, Notbeleuchtungen oder Überwachungsanlagen aller Art.

Für sicherungstechnische Bereiche muss die korrekte Funktionsweise des Leuchtzeichens überwacht werden. Dazu ist in der Regel eine Stromflussüberwachung vorgesehen. Problematisch ist der Ersatz von Glühlampen durch LEDs bei bestehenden Anlagen, da bereits vorhandene Überwachungseinrichtungen möglichst unverändert beibehalten werden müssen. Dieses Erfordernis ergibt sich insbesondere aus Kostengründen, um einen Eingriff in die Sicherheitsphilosophie zu vermeiden und wegen andernfalls erforderlicher neuer Zulassungen durch übergeordnete Behörden. Da LEDs und Glühlampen sehr unterschiedliche Kennlinien aufweisen, muss für die Substitution eine Kennlinienanpassung vorgenommen werden. Dabei gibt es bestimmte Bereiche, bei denen die Kennliniennachbildung nur gelingt, wenn die Leistungsanpassung mit extrem hohem Wirkungsgrad erfolgt. Darüber hinaus muss sichergestellt sein, dass bei zeitweilig nicht genügender Leistung die Einbußen an optischen Eigenschaften gering sind. Anzustreben ist die Bereitstellung ei ner möglichst konstanten Leistung für das Betreiben mehrerer LED-Ketten.

Bekannt sind Steuerschaltungen, bei denen für die Leistungskonstanthaltung getaktete Energiewandler vorgesehen sind, die in der Regel nach dem Ladungspumpenprinzip mit einem induktiven oder kapazitiven Zwischenspeicher arbeiten. Nachteilig bei derartigen Schaltungen ist vor allem die nicht unerhebliche EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) -Belastung. Bezüglich der optischen Eigenschaften ist von Nachteil, dass der Farbort der LEDs variieren kann, da die Entladung der zwischengespeicherten Energie nur in Abhängigkeit von der Last erfolgt. Die damit einhergehende Modulation des Stromes führt zum Wandern des Farbortes, wobei der sich einstellende Mittelwert von Zufallsparametern, insbesondere der Temperatur, abhängig ist. Außerdem haben derartige getaktete Energiewandler den Nachteil, dass ein schaltungstechnischer Fehler zu einem nicht beeinflussbaren Dauerleuchten der LED-Ketten führen kann. Energiewandler sind als Bauelemente außerdem für höhere Ausgangsspannungen über 20 VDC kaum erhältlich, wobei in der Regel keine Stromregelung integriert ist.

Bekannt ist auch die Beschaltung jeder LED-Kette mit einer eigenen Konstantstromquelle. Bei diesem Schaltungsprinzip ist eine relativ hohe Spannungsreserve für die Ausregelung der Änderungen der Betriebsspannungen erforderlich. Der LED-Strom ist zwar auf genau definierte Werte einstellbar; dabei besteht jedoch das Problem, dass sich bei allen Ketten eine entsprechend der Toleranzen der Flussspannungen der LEDs unterschiedliche Spannung über den LEDs einstellt. Verringert sich die Betriebsspannung, so verlässt diejenige LED-Kette zuerst die Stromregelung, die durch den höchsten Spannungsabfall über den LEDs gekennzeichnet ist. Die Kette mit dem kleinsten Spannungsabfall hingegen kann noch leuchten, wenn alle anderen Ketten bereits den stromgeregelten Bereich verlassen haben und nicht mehr die optischen Leistungen erzielen bzw. ganz verlöschen. Somit entsteht ein undefiniertes Leuchtbild. Die geforderte Lichtstärke kann nicht sicher erreicht werden.

Aus der DE 100 33 379 A1 ist eine Stromversorgungseinrichtung für parallel geschaltete Leuchtdiodenketten bekannt, bei der mehrere Stromquellen vorgesehen sind, deren Verlustleistung durch spezielle Schaltungselemente reduziert wird.

Gemäß der EP 1 079 667 A2 ist eine LED-Beleuchtungseinrichtung mit einem Mikroprozessor beschaltet, der die Stromflüsse in parallelen LED-Strängen überwacht und bei fehlerbedingten Abweichungen den Gesamtstrom aller LED-Stränge anpasst.

Aus der US 6,161,910 und der DE 102 01 906 A1 sind strom-, helligkeits- und temperaturabhängige Regelungen von Referenzspannungen für Leuchtdioden zugeordnete Stromquellen bekannt.

Die DE 100 40 154 C2 offenbart eine LED-Leuchtreklame, bei der die Spannung der Stromversorgung zwecks Verlustleistungsminimierung derart angepasst wird, dass an der in Reihe zu den LEDs angeordneten Konstantstromschaltung lediglich die für deren Funktion minimal erforderliche Spannung abfällt.

Aus der DE 103 46 528 A1 ist eine LED-Fahrzeuglampe mit einem Schaltregler bekannt, dessen Ausgangsspannung die LEDs beaufschlagt und bei Anormalzustand der LEDs entsprechend angepasst wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird. Auch beim Hochlauf, bei betriebsbedingten Spannungseinbrüchen, bei Unterspannung, bei extremen Unterschieden der Schwellenspannungen infolge unterschiedlicher Farben der LEDs und bei Welligkeit der Betriebsspannung soll der Strom und damit die Helligkeit der Leuchtdiodenketten stets gleich sein.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sobald mindestens eine der Konstantstromquellen wegen nicht ausreichender Betriebsspannung und/oder zu hoher Schwellenspannung der zugehörigen Leuchtdiodenkette nicht in der Lage ist, den geforderten Sollwert des Stromes zu liefern, wird über eine Oder-Verknüpfung ein Schaltungselement zur Regelung der Referenzspannung der Konstantstromquelle aktiviert. Auf diese Weise wird eine Herabsetzung der gemeinsamen Referenzspannungen der Konstantstromquellen bewirkt, wobei die Ströme der übrigen Konstantstromquellen solange heruntergeregelt werden, bis alle Quellen den gleichen Strom liefern. Eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung der angeschlossenen Leuchtdiodenketten ist somit auch bei erheblichen Schwankungen der Betriebsspannung sichergestellt. Der Strom wird immer gleichmäßig auf alle angeschlossenen LED-Ketten verteilt, wobei immer der maximal mögliche Strom fließt, wenn der Regelbereich für einzelne Ketten verlassen ist. Durch diese Regelung wird die Spannungsquelle relativ entlastet. Es können mehr LED-Ketten im stromgeregelten Bereich betrieben werden. Die Regelung erfolgt vorteilhafterweise auf die kleinstmögliche Abweichung vom Stromsollwert. Auf diese Weise ergibt sich ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Leuchtfeld. Schwankungen der Betriebsspannung können bei kleinster Regelreserve maximal ausgeglichen werden. Letztlich sind die Gesamtverluste der Schaltungsanordnung derart minimal, dass sich ein sehr hoher Wirkungsgrad realisieren lässt.

Die Schaltungsanordnung ist dabei mit einer Diode als Oder-Verknüpfung und einem Regelverstärker als Schaltungselement ausgestattet. Bei nicht genügendem Strom einer Konstantstromquelle nimmt der Ausgang des jeweiligen Operationsverstärkers der Konstantstromquelle einen sehr hohen positiven Wert an. Dadurch wird die zugehörige Diode leitend und über den Regelverstärker wird die allen Konstantstromquellen zur Verfügung gestellte Referenzspannung vermindert. Diese Verminderung wird solange fortgesetzt, bis alle Konstantstromquellen den gleichen Strom liefern.

Anspruch 2 charakterisiert eine Schaltungsvariante mit einem Mikroprozessor. Der Mikroprozessor überwacht die Ströme der Konstantstromquellen. weicht mindestens einer dieser Ströme für eine bestimmte Mindestzeit vom Sollwert ab, wird die zugeordnete Diode zur Oder-Verknüpfung abgeschaltet. Dadurch wird vermieden, dass beispielsweise beim Hochohmigwerden einer Leuchtdiodenkette der Strom aller Konstantstromquellen auf Null geregelt wird.

Weiterhin kann der Mikroprozessor gemäß Anspruch 3 die Spannungsquelle, die die Betriebsspannung liefert, steuern. Bei Unterbestromung über eine definierte Mindestzeit kann die Betriebsspannung geringfügig erhöht werden. Umgekehrt kann der Mikroprozessor eine Verminderung der Betriebsspannung einleiten, wenn für eine bestimmte Mindestzeit keine Unterbestromung aufgetreten ist. Durch diese Minimierung der Betriebsspannung wird deren Abhängigkeit von den ausgewählten Leuchtdioden und auch von allgemeinen Betriebsparametern berücksichtigt. Dadurch ergibt sich eine Verlustleistungsreduktion unter allen Betriebsbedingungen und somit eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Schaltungsanordnung (größer 0,9).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 das Grundprinzip der Schaltung und
2 eine modifizierte Schaltungsanordnung mit einem Mikroprozessor.
Beide Schaltungsbeispiele zielen auf besonders geringe Spannungsreserve und für Bahnanwendungen typischerweise lange Zuleitungen zwischen der Spannungsquelle V1 und der Leuchtdiodenanordnung H1a, H1b; H2a, H2b; H3a, H3b, verbunden mit hoher Eingangsimpedanz. Die Zuleitungen können mehrere Kilometer lang sein. Angestrebt wird außerdem der Ausgleich von überlagerten Strömen, die bei Bahnanwendungen häufig vorkommen und zu einem Verfall des Leuchtbildes führen können.
Dargestellt sind drei parallel geschaltete Leuchtdiodenketten H1a, H1b; H2a, H2b und H3a, H3b, die jeweils über Konstantstromquellen T1, R1, U1; T2, R2, U2 und T3, R3, U3 mit einer gemeinsamen Spannungsquelle V1 zur Lieferung der Betriebsspannung verbunden sind. Die Ausgänge der Operationsverstärker U1; U2 und U3 der Konstantstromquellen T1, R1, U1; T2, R2, U2 und T3, R3, U3 sind jeweils über Dioden D1; D2 und D3 und eine gemeinsame weitere Spannungsquelle V2 mit einem von einem Widerstand R4 überbrückten Regelverstärker V4 verbunden.
Nach 1 ist der zweite Eingang des Regelverstärkers V4 mit einer Spannungsquelle V3 zur Lieferung einer Referenzspannung O_ref beschaltet, welche gemäß 2 von einem Mikroprozessor μP zur Verfügung gestellt wird.
Die Schaltung nach 1 hat folgende Funktionsweise:
Bei Unterbestromung einer der Konstantstromquellen T1, R1, U1 oder T2, R2, U2 oder T3, R3, U3 nimmt der Ausgang des zugehörigen Operationsverstärkers U1 oder U2 oder U3 einen hohen positiven Wert an. Dadurch gelangt die an den Operationsverstärkerausgang angeschlossene Diode D1 oder D2 oder D3 in den leitenden Zustand. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers U1 oder U2 oder U3 wird folglich auf einen Eingang des Regelverstärkers V4 geführt. Die Referenzspannung O_ref am zweiten Eingang des Regelverstärkers V4 wird infolge dessen soweit vermindert, bis alle Konstantstromquellen T1, R1, U1; T2, R2, U2 und T3, R3, U3 auf den gleichen Stromwert geregelt sind. Durch diese Regelanordnung ist für alle Betriebsbedingungen, insbesondere bei Betriebsspannungsschwankungen jedweder Ursache, eine gleichmäßige Ausleuchtung des gesamten Leuchtzeichens sichergestellt.
Bei der Mikroprozessorvariante nach 2 überwacht der Mikroprozessor μP die einzelnen Ströme I1, I2 und I3 der Konstantstromquellen T1, R1, U1; T2, R2, U2 und T3, R3, U3. Erst bei Sollwertabweichungen während eines Mindestzeitraumes steuert der Mikroprozessor μP einen Schalter T4 oder T5 oder T6 im jeweiligen Diodenstrang an. Der Diodenstrang wird damit kurzgeschlossen. Somit wird vermieden, dass der Strom I1, I2, I3 aller Konstantstromquellen T1, R1, U1; T2, R2, U2 und T3, R3, U3 auf Null geregelt werden kann, was beispielsweise bei Ausfall einer kompletten Leuchtdiodenkette H1a, H1b; H2a, H2b oder H3a, H3b der Fall sein könnte. Entsprechend den Eingangsströmen I1, I2 und I3, die dem Mikroprozessor μP vom Ausgang des Operationsverstärkers U1; U2 und U3 zugeführt sind, bestimmt der Mikroprozessor μP die Referenzspannung O_ref, die erforderlich ist, damit alle Ströme I1, I2 und I3 den gleichen Wert aufweisen.
Weiterhin kann der Mikroprozessor μP über seinen Ausgang OV1 die Spannungsquelle V1 steuern. Bei Unterbestromung ist innerhalb der Regelreserve eine Erhöhung der Betriebsspannung an der Spannungsquelle V1 möglich, während der Mikroprozessor μP für den Fall, dass während einer bestimmten Mindestzeitspanne keine Unterbestromung aufgetreten ist, die Betriebsspannung bis an die Grenze zur Unterbestromung herabsetzt. Dadurch ergibt sich bei geringer Verlustleistung ein sehr hoher Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung. Da in der Regel nicht auf die Spannungsquelle der entfernten Stelleinrichtung eingewirkt werden kann, greift die Steuerung des Mikroprozessors μP in die Stromversorgungseinheit für die Konstantstromquellen T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3 der LED-Ketten H1a, H1b,; H2a, H2b; H3a, H3b ein.

Claims

Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtzeichens mit mehreren parallel geschalteten Leuchtdiodenketten (H1a, H1b; H2a, H2b; H3a, H3b), denen jeweils eine Konstantstromquelle (T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3) zugeordnet ist, die einen Operationsverstärker (U1, U2, U3) mit einem Referenzspannungseingang aufweist, wobei die Konstantstromquellen (T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3) aus einer gemeinsamen Spannungsquelle (V1) gespeist sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der Operationsverstärker (U1, U2, U3) über eine Oder-Verknüpfung mit einem gemeinsamen Schaltungselement zur Regelung der Referenzspannung der Konstantstromquellen (T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3) verbunden sind, wobei die Oder-Verknüpfung mit Dioden (D1; D2; D3) ausgebildet ist, wobei bei einem unterstrombedingten Ausgangssignal des Operationsverstärkers (U1; U2; U3) der Kon- stantstromquelle (T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3) die zugeordnete Diode (D1, D2, D3) leitend wird und wobei das Schaltungselement als Regelverstärker (V4) ausgebildet ist, der eingangsseitig mit den Dioden (D1; D2; D3) und einer Referenzspannung (O_ref) und ausgangsseitig mit den Referenzspannungseingängen der Operationsverstärker (U1; U2; U3) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikroprozessor (μP) vorgesehen ist, der die Ströme (I1; I2; I3) der Konstantstromquellen (T1, R1, U1; T2, R2, U2; T3, R3, U3) überwacht und bei Sollwertunterschreitung mindestens eines der Ströme (I1; I2; I3) während einer Mindestzeitdauer einen Schalter (T4, T5, T6) zur Abschaltung der zugeordneten Diode (D1; D2; D3) aktiviert und die Referenzspannung (O_ref) liefert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (μP) ein Ausgangssignal (UV1) zur Steuerung der Spannungsquelle (V1) liefert.