DE102004062727B3

DE102004062727B3 - Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102004062727B3
Application number: DE102004062727A
Authority: DE
Inventors: Volker Grosch; Frank Schubert; Lothar Wittky
Original assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Current assignee: Insta GmbH
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-12-28

Abstract

Es wird eine elektrische/elektronische Schaltungsanordnung, insbesondere zur Steuerung der Helligkeit mehrerer in Reihe geschalteter Leuchtdioden, vorgeschlagen. Zu dem Zweck eine elektrische/elektronische Schaltungsanordnung zu schaffen, die bei Verwendung einfacher Mittel bzw. bei einfachem Aufbau auch Stufigkeiten im unteren Dimmbereich verhindert, so dass kleinste Helligkeiten so niedrig eingestellt werden können, dass ein Übergang von der untersten Dimmstellung zum Zustand "AUS" vom menschlichen Auge nicht als Schritt wahrgenommen wird, ist eine steuerbare Stromquelle vorgesehen, die in Reihe zu den Leuchtdioden liegt und in diese einen zur Steuergröße proportionalen Strom einprägt, und weist diese einen Multiplizierer auf, der an seinem Ausgang die Steuergröße für die Stromquelle zur Verfügung stellt und der an seinem ersten Eingang mit einer ersten Quelle in Verbindung steht, die eine Rechteckspannung mit einer bestimmten Frequenz und einem variablen Tastverhältnis erzeugt, und steht der Mulitplizierer über seinen zweiten Eingang mit einer weiteren Quelle in Verbindung, die eine periodische Spannung mit dre gleichen Frequenz wie die erste Quelle erzeugt, deren Spannung für eine erste Zeit konstant ist und darauf folgend für eine zweite Zeit einem abfallenden zeitlichen Verlauf entspricht, wobei deren Periodendauer genau der Zeit entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gemäß Hauptanspruch konzipierte elektrische/elektronische Schaltungsanordnung, insbesondere zum Dimmbetrieb mehrerer in Reihe geschalteter Leuchtdioden.
Derartige elektrische/elektronische Schaltungsanordnungen sind insbesondere dafür vorgesehen, einen Dimmbetrieb von in Reihe geschalteten LEDs (Leuchtdioden) zu ermöglichen. Die Steuerung der Helligkeit von LEDs erfolgt heute oftmals durch die Verwendung einer Pulsweitenmodulation, die den Stromfluss durch mehrerer in Reihe geschalteter LEDs im Wechsel zulässt und verhindert. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere durch seine einfache Schaltungstechnik, sowie durch den Umstand dass sich der Farbort der LED im Gegensatz zur Variation des Stroms nicht verändert. Die Erzeugung der Pulsweitenmodulation erfolgt dabei häufig durch Verwendung eines Mikrocontrollers. Übliche PWM-Generatoren können dabei pulsweitenmodulierte Signale mit einer linearen Schrittweite erzeugen. Lineare Steuerungsprozesse sind vorteilhaft, wenn mehrere farbige LEDs zur aktiven Lichtmischung verwendet werden und auf diese Art gesteuert werden sollen, da sich gleitende Farbübergänge durch eine einfache lineare Steuerungskennlinie leicht erzeugen lassen.
Das menschliche Auge nimmt Helligkeitsveränderungen als gleichmäßig dann wahr, wenn der Quotient aus momentan eingestelltem Helligkeitswert und Veränderung der Helligkeit etwa konstant ist. Eine in äquidistanten Schritten realisierte PWM-Steuerung verursacht somit einen physiologisch nicht linear wahrgenommenen Verlauf der Änderung des Helligkeitswertes. Veränderungen des Helligkeitswertes bei hohen Dimmstellungen werden deshalb vom menschlichen Auge als gleichmäßig wahrgenommen. Veränderungen bei niedrigen Dimmstellungen verursachen dahingegen starke Helligkeitsveränderungen, die vom menschlichen Auge als erkennbare Helligkeitsstufen wahrgenommen werden. Eine stufige Wahrnehmung der Helligkeitsveränderungen während des Dimmbetriebes sind jedoch unter dem Gesichtspunkt heutiger Qualitätsansprüche in vielen Bereichen nicht immer hinnehmbar.

Durch die DE 198 48 925 A1 ist eine elektrische/elektronische Schaltungsanordnung zum Dimmbetrieb mehrerer in Reihe geschalteter LEDs bekannt geworden. Bei dieser Schaltungsanordnung werden die LEDs im oberen Dimmbereich durch eine steuerbare Stromquelle betrieben, im unteren Dimmbereich wird zum Dimmbetrieb eine Steuereinrichtung verwendet, welche eine Pulsweitenmodulation der den LEDs zugeführten Versorgungsspannung durchführt. Stufige Wahrnehmungen von Helligkeitsveränderungen sind somit im oberen und unteren Dimmbereich wirkungsvoll vermieden. Die dazu notwenige elektrische/elektronische Schaltungsanordnung ist jedoch vergleichsweise teuer und aufwendig, weil zwei Steuersignale und zwei Ausgangsgrößen bzw. Steuergrößen verarbeitet werden müssen.

Außerdem ergibt sich ein Problem aus der Fähigkeit des menschlichen Auges Helligkeiten über einen großen Dynamikbereich wahrzunehmen. Das führt dazu, dass bei zu kleinem Dynamikbereich der Schritt von der kleinsten Dimmstellung zum Zustand "AUS" deutlich als Schritt wahrgenommen wird.

Des weiteren ist es aus der WO 99/29 142 A1 bekannt, zum augenschonenden Ein- und Ausschalten von LEDs die Amplitude bzw. die Pulsweite des LED-Stromes linear oder sinusförmig zu verändern.

Zudem ist es auch durch die DE 10 2004 004 319 A1 bekannt geworden, zur Simulation einer glühlampenähnlichen Leuchtcharakteristik die Pulsweite des LED-Stromes exponentiell ansteigend bzw. abfallend zu verändern.

Außerdem sind der EP 0 905 674 A1 exponentiell bzw. trapezförmige PWM-Signale zur Ansteuerung von Display-Leuchtdioden zu entnehmen.

Des weiteren ist der DE 10 2004 008 896 A1 eine steuerbare Stromquelle für LEDs zu entnehmen, wobei zur Steuerung der Stromquelle ein PWM-Signal verwendet wird, das eine linear ansteigende Flanke aufweist.

Zudem ist durch die DE 40 21 131 A1 eine exponentielle Helligkeitsveränderung für Beleuchtungen bekannt geworden.

Ausgehend von einer solchen Situation liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische/elektronische Schaltungsanordnung zu schaffen; die bei Verwendung einfacher Mittel bzw. bei einfachem Aufbau auch Stufigkeiten im unteren Dimmbereich verhindert, so das kleinste Helligkeiten so niedrig eingestellt werden können, dass ein Übergang von der untersten Dimmstellung zum Zustand "AUS" vom menschlichen Auge nicht als Schrittwahrgenommen wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Bei einer solchen Ausbildung ist besonders vorteilhaft, dass bei einfacher Schaltungsrealisierung die Möglichkeit zur linearen Helligkeitssteuerung der LEDs im oberen Dimmbereich erhalten bleibt.

Außerdem ist besonders vorteilhaft, dass sich Helligkeitsveränderungen über den gesamten Dimmbereich besonders schnell, nämlich in der Taktfrequenz des PWM-Signals realisieren lassen, wobei auf besonders einfache Art und Weise eine pulsrampengesteuerte Helligkeitsänderung der LEDs möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Anhand mehrerer Schaltbilder sei die Erfindung im Prinzip näher erläutert, dabei zeigen:
1: prinziphaft ein Blockschaltbild einer allgemeinen Ausführungsform inklusive der Darstellung eines typischen Spannungsverlaufs;
2: prinziphaft ein Blockschaltbild einer allgemeinen Ausführungsform mit Invertierer;
3: ein Ausführungsbeispiel für den Schaltungsbereich B gemäß 2;
4: eine in Einzelheiten dargestellte, elektrische/elektronische Schaltungsanordnung gemäß erstem Ausführungsbeispiel;
5: eine in Einzelheiten dargestellte, elektrische/elektronische Schaltungsanordnung gemäß zweitem Ausführungsbeispiel;
6: eine in Einzelheiten dargestellte, elektrische/elektronische Schaltungsanordnung gemäß drittem Ausführungsbeispiel.
Wie aus den Figuren hervorgeht, besteht eine solche elektrische/elektronische Schaltungsanordnung im Allgemeinen aus einer mit mehreren in Reihe geschalteten Leuchtdioden LED₁–LED_n in Reihe liegenden steuerbaren Stromquelle Q_I, die in diese einen zur Steuergröße proportionalen Strom einprägt. Die elektrische/elektronische Schaltungsanordnung weist zudem einen Multiplizierer M auf, der an seinem Ausgang A₁ die Steuergröße für die Stromquelle Q_I zur Verfügung stellt und der an seinem ersten Eingang E₁ mit einer ersten Quelle Q1 in Verbindung steht, die eine Rechteckspannung mit einer bestimmten, bei ca. 100 Hertz liegenden Frequenz und ein variables Tastverhältnis erzeugt. Außerdem steht der Multiplizierer M über seinen zweiten Eingang E₂ mit einer weiteren Quelle Q2 in Verbindung, die eine periodische Spannung mit der gleichen Frequenz, wie die erste Quelle Q1 erzeugt, wobei deren Spannung für eine erste Zeit t₁ konstant ist und darauf folgend für eine zweite Zeit t₂ einem abfallenden zeitlichen Verlauf entspricht und wobei deren Periodendauer genau der Summe aus erster und zweiter Zeit t₁ + t₂ entspricht, wobei die ansteigende Flanke der von der weiteren Quelle Q2 erzeugten Spannung mit der abfallenden Flanke der von der ersten Quelle Q1 erzeugten Rechteckspannung zusammenfällt.
Somit ist gewährleistet, dass die ansteigende Flanke, die sich zwangsläufig zwischen dem Übergang von der ersten Zeit t₁ nach der zweiten Zeit t₂ ergibt zeitlich genau mit der abfallenden Flanke des Rechtecksignals an Q1 zusammenfällt und den zweiten Eingang E₂ des Multiplizierers M speist.
Wie insbesondere aus 2 hervorgeht, ist zwischen der weiteren Quelle Q2 und dem zweiten Eingang E₂ des Multiplizierers M ein Invertierer I angeordnet. Der zweite Eingang E₂ des Multiplizierers M ist dabei der invertierende Eingang – eine Operationsverstärkers. Der Multiplizierer M, der Invertierer I und die Stromquelle Q_I sind zu einem Schaltungsbereich B zusammengefasst. Vorteilhafterweise ist die weitere Quelle Q2 als Mikrocontroller ausgeführt. Um eine solche, einen Invertierer I aufweisende elektrische/elektronische Schaltungsanordnung sinnvoll betreiben zu können, ist es notwendig, dieser ein invertiertes Signal der weiteren Quelle Q2 zuzuführen.
Wie insbesondere aus 3 hervorgeht, ist der Schaltungsbereich B gemäß 2 vorteilhafterweise wie folgt aufgebaut. Der den Multiplizierer M und die Stromquelle Q_I repräsentierende Schaltungsbereich ist gebildet aus dem ersten Operationsverstärker OP₁, dessen nicht invertierender Eingang + den ersten Eingang E₁ des Multiplizierers M darstellt, und einer ersten Diode D₁ deren Kathode über einen ersten Widerstand R₁ mit dem invertierenden Eingang – mit dem ersten Operationsverstärker OP₁ in Verbindung steht, und deren Anode den zweiten Eingang E₂ darstellt, und einem ersten Transistor T₁, dessen Basis mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP₁ in Verbindung steht und dessen Kollektor mit der Kathode der letzten Leuchtdiode LED₁ der Leuchtdiodenkette verbunden ist und dessen Emitteranschluss einerseits über einen zweiten Widerstand R₂ mit dem invertierenden Eingang – des ersten Operationsverstärkers OP₁ verbunden ist, und andererseits über einen dritten Widerstand R₃ mit der Schaltungsmasse in Verbindung steht.
Bei einem derartig aufgebauten Schaltungsbereich B ist besonders vorteilhaft, dass sich dieser besonders kostengünstig realisieren lässt, weil für die Funktionen Multiplizierer M, Invertierer I und Stromquelle Q_I lediglich ein einziger, nämlich der erste Operationsverstärker OP₁ notwendig ist.
Wie insbesondere aus 4 hervorgeht, ist dem ersten Eingang E₁ des Multiplizierers M eine Schaltungsanordnung vorgeschaltet, die aus einem zweiten Operationsverstärker OP₂ besteht, der als nicht invertierender Impedanzwandler beschaltet ist und dessen Ausgang den ersten Eingang E₁ des Multiplizierers M speist und dessen Eingang erstens mit einem vierten Widerstand R₄ in Verbindung steht, dessen zweiter Anschluss mit der Schaltungsmasse verbunden ist und dem ein erster Kondensator C₁ parallel geschaltet ist und zweitens mit der Kathode einer zweiten Diode D₂ verbunden ist, dessen Anode zum einen mit dem ersten Anschluss eines fünften Widerstandes R₅ verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit der Versorgungsspannung U₀ in Verbindung steht und drittens mit dem Kollektor eines zweiten Transistors T₂ verbunden ist, dessen Emitter mit der Schaltungsmasse in Verbindung steht und dessen Basis über einen sechsten Widerstand R₆ mit dem ersten Ausgang A₁ eines Mikrocontrollers verbunden ist.
Wie insbesondere aus 5 hervorgeht, wird zusätzlich zu den in 4 dargestellte und bereits vorstehend beschrieben Gegebenheiten die Spannung am ersten Eingang E₁ des Multiplizierers M über einen siebten Widerstand R₇ dem invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers OP₃ zugeführt, dessen invertierender Eingang zudem über einen zweiten Kondensator C₂ mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers OP₃ in Verbindung steht und dessen Ausgang die Versorgungsspannung U₀ darstellt und dessen nicht invertierender Eingang + mit einer ersten Referenzspannung U_ref1 in Verbindung steht.
Bei einer solchen Ausführung ist besonders vorteilhaft, dass der maximale Dimmwert unabhängig von der Form der Rampe konstant gehalten wird und der Einfluss der temperaturabhängigen Flussspannung der zweiten Diode D₂ durch die Regelung vollständig kompensiert wird.
Wie insbesondere aus 6 hervorgeht, liegt zusätzlich zu den in 5 dargestellten und bereits vorstehend näher beschriebenen Gegebenheiten die erste Referenzspannung U_ref1 an einem dritten Kondensator C₃ an, dessen einer Anschluss mit der Schaltungsmasse verbunden ist und dessen anderer Anschluss über einen achten Widerstand R₈ einerseits mit dem Anschluss eines neunten Widerstand R₉ in Verbindung steht und dessen zweiter Anschluss mit einer zweiten Referenzspannung U_ref2 verbunden ist und andererseits mit dem Kollektor eines dritten Transistors T₃ in Verbindung steht, dessen Emitteranschluss mit der Schaltungsmasse verbunden ist und dessen Basisanschluss über einen zehnten Widerstand R₁₀ mit dem zweiten Ausgang A₂ des Mikrocontrollers verbunden ist.
Bei einer solchen Ausführung der elektrischen/elektronischen Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft, dass der maximale Dimmwert im Betrieb je nach Bedarf auf einfache Art und Weise verändert werden kann, wobei die Konstanthaltung des eingestellten maximalen Dimmwertes zuverlässig gewährleistet ist.
Es ist somit eine elektrischen/elektronischen Schaltungsanordnung realisiert, die bei Verwendung einfacher Mittel bzw. bei einfachem und kostengünstigem Aufbau auch Stufigkeiten im unteren Dimmbereich wirkungsvoll verhindert, so dass kleinste Helligkeiten so niedrig eingestellt werden können, dass ein Übergang von der untersten Dimmstellung zum Zustand "AUS" vom menschlichen Auge nicht als Schritt wahrgenommen wird. Außerdem ist bei einer solchen elektrischen/elektronischen Schaltungsanordnung besonders vorteilhaft, dass die Möglichkeit zur linearen Helligkeitssteuerung der Leuchtdioden LED₁–LED_n im oberen Dimmbereich voll erhalten bleibt und sich Helligkeitsveränderungen über den gesamten Dimmbereich besonders schnell, nämlich in der Taktfrequenz des PWM-Signals realisieren lassen, wobei auf besonders einfache Art und Weise eine pulsrampengesteuerte Helligkeitsänderung der Leuchtdioden LED₁–LED_n möglich ist.

Claims

Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung zur Steuerung der Helligkeit mehrerer in Reihe geschalteter Leuchtdioden (LED₁–LED_n), mit einer steuerbaren Stromquelle (Q_I), die in Reihe zu den Leuchtdioden (LED₁–LED_n) liegt und in diese einen zur Steuergröße proportionalen Strom einprägt und die einen Multiplizierer (M) aufweist, der an seinem Ausgang (A₁) die Steuergröße für die Stromquelle (Q_I) zur Verfügung stellt und der an seinem ersten Eingang (E₁) mit einer ersten Quelle (Q1) in Verbindung steht, die eine Rechteckspannung mit einer bestimmten Frequenz und einem variablen Tastverhältnis erzeugt, und dass der Multiplizierer (M) über seinen zweiten Eingang (E₂) mit einer weiteren Quelle (Q2) in Verbindung steht, die eine periodische Spannung mit der gleichen Frequenz wie die erste Quelle (Q1) erzeugt, und dass deren Spannung für eine erste Zeit (t₁) konstant ist und darauf folgend für eine zweite Zeit (t₂) einem abfallenden zeitlichen Verlauf entspricht, wobei deren Periodendauer genau der Summe aus erster und zweiter Zeit (t₁ + t₂) entspricht, und wobei die ansteigende Flanke der von der weiteren Quelle (Q2) erzeugten Spannung mit der abfallenden Flanke der von der ersten Quelle (Q1) erzeugten Rechteckspannung zusammenfällt.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingang (E₂) des Multiplizierers (M) der invertierende Eingang (–) eines Operationsverstärker ist, und dass zwischen der weiteren Quelle (Q2) und dem zweiten Eingang (E₂) des Multiplizierers (M) ein Invertierer (I) angeordnet ist.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Quelle (Q2) als Mikrocontroller ausgebildet ist.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplizierer (M), der Invertierer (I) und die Stromquelle (Q_I) zu einem Schaltungsbereich (B) zusammengefasst sind.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der den Multiplizierer (M) und die Stromquelle (Q_I) repräsentierende Schaltungsbereich gebildet ist aus dem ersten Operationsverstärker (OP₁), dessen nicht invertierender Eingang (+) den ersten Eingang (E₁) des Multiplizierers (M) darstellt, und einer ersten Diode (D₁), deren Kathode über einen ersten Widerstand (R₁) mit dem invertierenden Eingang (–) mit dem ersten Operationsverstärker (OP₁) in Verbindung steht und deren Anode den zweiten Eingang (E₂) darstellt, und einem ersten Transistor (T₁), dessen Basis mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP₁) in Verbindung steht und dessen Kollektor mit der Kathode der letzten Leuchtdiode (LED₁) der Leuchtdiodenkette verbunden ist und dessen Emitteranschluss einerseits über einen zweiten Widerstand (R₂) mit dem invertierenden Eingang (–) des ersten Operationsverstärkers (OP₁) verbunden ist und andererseits über einen dritten Widerstand (R₃) mit der Schaltungsmasse in Verbindung steht.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Eingang (1) des Multiplizierers (M) eine Schaltungsanordnung vorgeschaltet ist, die aus einem zweiten Operationsverstärker (OP₂) besteht, der als nicht invertierender Impedanzwandler beschaltet ist und dessen Ausgang den ersten Eingang (E₁) des Multiplizierers (M) speist und dessen Eingang erstens mit einem vierten Widerstand (R₄) in Verbindung steht, dessen zweiter Anschluss mit der Schaltungsmasse verbunden ist und dem ein erster Kondensator (C₁) parallel geschaltet ist und zweitens mit der Kathode einer zweiten Diode (D₂) verbunden ist, dessen Anode zum einen mit dem ersten Anschluss eines fünften Widerstandes (R₅) verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit der Versorgungsspannung (U₀) in Verbindung steht und drittens mit dem Kollektor eines zweiten Transistors (T₂) verbunden ist, dessen Emitter mit der Schaltungsmasse in Verbindung steht und dessen Basis über einen sechsten Widerstand (R₆) mit dem ersten Ausgang (A₁) eines Mikrocontrollers verbunden ist.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung am ersten Eingang (E₁) des Multiplizierers (M) zusätzlich über einen siebten Widerstand (R₇) dem invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers (OP₃) zugeführt wird, dessen invertierender Eingang zudem über einen zweiten Kondensator (C₂) mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers (OP₃) in Verbindung steht und dessen Ausgang die Versorgungsspannung (U₀) darstellt und dessen nicht invertierender Eingang (+) mit einer ersten Referenzspannung (U_ref1) in Verbindung steht.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Referenzspannung (U_ref1) an einem dritten Kondensator (C₃) anliegt, dessen einer Anschluss mit der Schaltungsmasse verbunden ist und dessen anderer Anschluss über einen achten Widerstand (R₈) einerseits mit dem Anschluss eines neunten Widerstand (R₉) in Verbindung steht und dessen zweiter Anschluss mit einer zweiten Referenzspannung (U_ref2) verbunden ist und andererseits mit dem Kollektor eines dritten Transistors (T₃) in Verbindung steht, dessen Emitteranschluss mit der Schaltungsmasse verbunden ist und dessen Basisanschluss über einen zehnten Widerstand (R₁₀) mit dem zweiten Ausgang (A₂) des Mikrocontrollers verbunden ist.