DE102004062728B3

DE102004062728B3 - Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102004062728B3
Application number: DE102004062728A
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 zum Dimmbetrieb mehrerer in Reihe geschalteter LEDs, vorgeschlagen. Zu dem Zweck, eine besonders kostengünstig und einfach aufgebaute elektrische/elektronische Schaltungsanordnung zu schaffen, die sowohl im oberen Dimmbereich also auch im unteren Dimmbereich nur Helligkeitsveränderungen solcher Größe vornimmt, die vom menschlichen Auge als nicht stufige Helligkeitsveränderungen wahrgenommen werden, wird die zur Steuerung der Stromquelle verwendete Steuergröße aufgrund eines binären Eingangssignals mittels eines Ableitungsmoduls erzeugt, aufgrund des Eingangssignals 0 wird vom Ableitungsmodul eine Steuergröße 0 erzeugt und aufgrund des Eingangssignals 1 wird vom Ableitungsmodul eine Steuergröße erzeugt, die beginnend mit der ansteigenden Flanke des Eingangssignals der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung einen von der Zeit exponentiell abhängigen Verlauf mit positivem Exponenten aufweist, der nach Ablauf einer Zeit t1 auf einem schaltungstechnisch begrenzten Maximalwert beharrt.

Description

Die vorliegende Erfindung geht von einer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches konzipierten elektrischen/elektronischen Schaltungsanordnung aus.
Derartige Schaltungsanordnungen sind insbesondere dafür vorgesehen, einen Dimmbetrieb von in Reihe geschalteten LEDs zu ermöglichen. 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 nicht stufig wahrgenommen. Veränderungen bei niedrigen Dimmstellungen verursachen dahingegen starke Helligkeitsveränderungen, die vom menschlichen Auge als erkennbare Helligkeitsstufen wahrgenommen werden. Stufige Wahrnehmungen 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 dem Obergebriff des Hauptanspruches entsprechende 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 ist durch die US 6 329 802 B1 ein Ableitungsmodul bekannt geworden dieses Ableitungsmodul ist für einen Softstart von Lichtquellen vorgesehen, bei deren Einschalten ein Stromstoß zu erwarten ist.

Des weiteren ist 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 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.

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

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

Zudem sind der EP 0 905 674 A1 exponentielle bzw. trapezförmige PWM-Signale zur Ansteuerung von Displayleuchtdioden zu entnehmen.

Des weiteren ist durch die DE 196 02 891 ein Verfahren und eine Anordnung zur Einstellung der Helligkeit eines strom- oder spannungsgesteuerten, als LED ausgebildeten Leuchtmittels bekannt geworden. Dabei wird mit Hilfe eines am Ausgang eines Mikrocomputers anliegenden pulsweitenmodulierten Signals ein Transistor getaktet angesteuert, was eine Spannungsänderung an den angeschlossenen LEDs und somit eine Helligkeitsänderung der Leuchtdioden zur Folge hat.

Ausgehend von einer solchen Situation liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische/elektronische Schaltungsanordnung zu schaffen, die sowohl im oberen Dimmbereich, als auch im unteren Dimmbereich nur Helligkeitsveränderungen solcher Größe vornimmt, die vom menschlichen Auge als nicht stufige Helligkeitsveränderung wahrgenommen werden, wobei die dazu notwendige elektrische/elektronische Schaltungsanordnung besonders kostengünstig und einfach aufgebaut ist.

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

Bei einer solchen Ausbildung ist besonders vorteilhaft, dass sich derart ausgebildete elektrische/elektronische Schaltungsanordnungen als eine Vielzahl von parallel geschalteten Baugruppen über einen einzigen PWM-Generator bei Erhalt der vorteilhaften Eigenschaften betreiben lassen. 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 allgemein möglichen Ausführungsform;
2: ein mögliches Ausführungsbeispiel im Einzelnen für ein Ableitungsmodul gemäß 1;
3: die Ausgangsspannung des Ableitungsmoduls gemäß 1 bei pulsweitenmodulierter Eingangsspannung;
4: die Ausgangsspannung des Ableitungsmoduls gemäß 1 bei konstanter Eingangsspannung größer Null;
5: die Ausgangsspannung des Ableitungsmoduls gemäß 1 bei einer Eingangsspannung gleich Null.
Wie insbesondere aus 1 hervorgeht, besteht eine mögliche Variante einer solchen elektrischen/elektronischen Schaltungsanordnung im Wesentlichen aus einem an die pulsweitenmodulierte Versorgungsspannung Ub angeschlossenen Ableitungsmodul AM, dessen Ausgangssignal Uref dem nicht invertierenden Eingang + eines ersten Operationsverstärkers OP1 zugeführt wird, der mit seinem invertierenden Eingang – über einen ersten Widerstand R1 mit der Schaltungsmasse in Verbindung steht. Der Ausgang A1 des ersten Operationsverstärkers OP1 steht mit der Basis eines ersten Transistors T1 in Verbindung, dessen Emitteranschluss mit dem invertierenden Eingang – des ersten Operationsverstärkers OP1 und dessen Kollektoranschluss über die in Flussrichtung liegenden, zu beeinflussenden LEDs mit der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung Ub in Verbindung steht.
Wie insbesondere aus 2 hervorgeht, weist das zur Erzeugung der steuerbaren Größe notwendige Ableitungsmodul AM einen zweiten Operationsverstärker OP2 auf, dessen nicht invertierender Eingang + einerseits über einen Kondensator C mit der Schaltungsmasse und andererseits über einen zweiten Widerstand R2 mit der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung Ub verbunden ist, wobei dass der invertierende Eingang – des zweiten Operationsverstärkers OP2 einerseits über einen dritten Widerstand R3 mit dem Ausgang A2 des zweiten Operationsverstärkers OP2 und andererseits über einen vierten Widerstand R4 mit der Schaltungsmasse verbunden ist und der Ausgang A2 des zweiten Operationsverstärkers OP2 außerdem über einen fünften Widerstand R5 mit dem nichtinvertierenden Eingang + des zweiten Operationsverstärkers OP2 in Verbindung steht. Außerdem steht der Ausgang A2 des zweiten Operationsverstärkers OP2 über einen sechsten Widerstand R6 mit der Kathode einer Z-Diode ZD1 in Verbindung, deren Anode mit der Schaltungsmasse verbunden ist, so dass die Z-Spannung der Z-Diode ZD1 kleiner als die maximale Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers OP2 ist und somit die Spannung über der Z-Diode ZD1 als Steuergröße Uref zur Steuerung der Stromquelle herangezogen ist.
Wird die elektrische/elektronische Schaltungsanordnung mit einer pulsweitenmodulierten Spannung versorgt, so sind alle Spannungen Ub und Uref von dieser pulsweitenmodulierten Spannung abhängig. Hieraus ergibt sich, dass ebenfalls der Strom durch die LEDs ein Abbild der pulsweitenmodulierten Spannung ist. Unter der Voraussetzung, dass die Auflösung des pulsweitenmodulierten Signals als nicht über das übliche Maß hinaus erhöht werden kann (i.A. 8 Bit), muss daher die Höhe des Stroms durch die LEDs in der Stromflussphase verändert werden, um ein verbessertes Dimmverhalten zu erzielen. Ansatz ist daher die elektrische/elektronische Schaltungsanordnung so auszugestalten, dass diese während der Einschaltphase der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung Ub eine nicht mehr konstante Steuergröße Uref erzeugt. Die schaltungstechnische Realisierung eines Ableitungsmodul AM, das einen solchen geeigneten Spannungsverlauf erzeugen kann, ist als Ausführungsbeispiel der 2 entnehmbar und vorstehend näher beschrieben. Die Schaltung des Ableitungsmoduls AM stellt die schaltungstechnische Realisierung einer Differentialgleichung 1. Ordnung dar. Hierbei existieren folgende Lösungen:

1) falls α < 0 ⇒ u(t) = u_bv_b/(αR₂C)·(exp(αt) – 1)
2) falls α = 0 ⇒ u(t) = u_bv_bt/(R₁C)
3) falls α > 0 ⇒ u(t) = u_bv_b/(αR₂C)·(exp(αt) – 1)

_b

₃

₄

₂

_b

₂

₅

₂

Im ersten Fall erzeugt die Schaltung eine Rampe, wie sie auch von einem einfachen RC-Glied erzeugt würde. Dieser Verlauf weist im Exponenten ein negatives Vorzeichen auf und ist daher für die Realisierung des gewünschten Verlaufs völlig ungeeignet. Im zweiten Fall wird der Grenzfall der linearen Rampe erzeugt. Dieser Verlauf würde sich zwar bedingt eignen, wäre aber für den Praxisfall nicht optimal. Erst mit weiterer Erhöhung der Verstärkung Vb und damit einer weiteren Erhöhung von α werden Exponentialfunktionen mit positivem Exponenten erzeugt. Diese weisen den erforderlichen Verlauf auf. Auf Grund des positiven Exponenten kann der Kurvenverlauf naturgemäß nicht mehr konvergieren. In praxi wird die Spannung so lange steigen, bis sie durch die Aussteuerungsgrenze des zweiten Operationsverstärkers OP2 begrenzt wird. Der sich so stationär einstellende Wert ist jedoch je nach verwendetem Operationsverstärkertyp ungenau. Soll eine höhere Genauigkeit erreicht werden, kann der Schaltung ein Spannungsteiler, bestehend aus einem sechsten Widerstand R6 und einer Z-Diode ZD1 nachgeschaltet werden, wobei die Z-Spannung unterhalb der Begrenzungsschwelle des zweiten Operationsverstärkers OP2 liegen muss.
Wie insbesondere aus 3 hervorgeht, ergibt sich bei einer pulsweitenmodulierten Eingangsspannung Ub eine Steuergröße Uref die einen mit der positiven Flanke der Eingangsspannung Ub beginnenden exponentiellen Verlauf mit positiven Exponenten und schaltungstechnisch auf einen Maximalwert begrenzten Amplitude aufweist.
Wie insbesondere aus 4 hervorgeht, ergibt sich bei konstanter Eingangsspannung Ub (Einheitssprung) eine Steuergröße Uref die – wie bereits zu 3 beschrieben – einen mit der positiven Flanke der Eingangsspannung Ub beginnenden exponentiellen Verlauf mit positiven Exponenten aufweist, jedoch anschließend auf der schaltungstechnisch auf einen Maximalwert begrenzten Amplitude verbleibt.
Wie insbesondere aus 5 hervorgeht, ergibt sich bei einer Eingangsspannung Ub gleich Null eine Steuergröße Uref mit einer Amplitude gleich Null.

Claims

Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung zum Dimmbetrieb mehrerer in Reihe geschalteter LEDs, mit einer steuerbaren Stromquelle und einem Taktgeber zur Pulsweitenmodulation der den LEDs zugeführten Versorgungsspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Steuerung der Stromquelle verwendete Größe aufgrund eines binären Eingangssignals mittels eines Ableitungsmoduls (AM) erzeugt wird, und dass aufgrund des Eingangssignals 0 vom Ableitungsmodul (AM) eine Steuergröße (Uref) 0 erzeugt wird, und dass aufgrund des Eingangssignals 1 vom Ableitungsmodul (AM) eine Steuergröße (Uref) erzeugt wird, die beginnend mit der ansteigenden Flanke des Eingangssignals der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung (Ub) einen von der Zeit exponentiell abhängigen Verlauf mit positivem Exponenten aufweist und nach Ablauf einer Zeit (t1) auf einem schaltungstechnisch begrenzten Maximalwert beharrt.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (Uref) des Ableitungsmoduls (AM) dem nichtinvertierenden Eingang (+) eines ersten Operationsverstärkers (OP1) zugeführt wird, der mit seinem invertierenden Eingang (–) über einen ersten Widerstand (R1) mit der Schaltungsmasse in Verbindung steht, und dass der Ausgang (A1) des ersten Operationsverstärkers (OP1) mit der Basis eines ersten Transistors (T1) in Verbindung steht, dessen Emitteranschluss mit dem invertierenden Eingang (–) des ersten Operationsverstärkers (OP1) und dessen Kollektoranschluss über die in Flussrichtung liegenden, zu beeinflussenden LED mit der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung (Ub) in Verbindung steht.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Erzeugung der Steuergröße (Uref) notwendige Ableitungsmodul (AM) einen zweiten Operationsverstärker (OP2) aufweist, dessen nicht invertierender Eingang (+) einerseits über einen Kondensator (C) mit der Schaltungsmasse, sowie andererseits über einen zweiten Widerstand (R2) mit der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung (Ub) verbunden ist, und dass der invertierende Eingang (–) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) einerseits über einen dritten Widerstand (R3) mit dem Ausgang (A2) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) und andererseits über einen vierten Widerstand (R4) mit der Schaltungsmasse verbunden ist, und dass der Ausgang (A2) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) über einen fünften Widerstand (R5) mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) in Verbindung steht, so dass die zur Steuerung der Stromquelle verwendete Steuergröße (Uref) die Spannung ist, welche die Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers (OP2) darstellt.
Elektrische/elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (A2) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) einerseits mit einem sechsten Widerstand (R6) verbunden ist, der andererseits mit der Kathode einer Z-Diode (ZD1) verbunden ist, deren Anode mit der Schaltungsmasse in Verbindung steht, so dass die Z-Spannung der Z-Diode (ZD1) kleiner als die maximale Spannung am Ausgang (A2) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) ist, und somit die Spannung über der Z-Diode (ZD1) als Steuergröße (Uref) zur Steuerung der Stromquelle herangezogen ist.