DE102006025597A1

DE102006025597A1 - Anordnung zur Ansteuerung von Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102006025597A1
Application number: DE102006025597A
Authority: DE
Inventors: Karl Schroedinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für Leuchtdioden, welche vorzugsweise zu Beleuchtungszwecken genutzt werden. Die Anordnung weist auf: einen Controller, welcher mindestens einen Schalter oder Treibertransistor für die Leuchtdioden ansteuert, wobei die Leuchtdioden vorzugsweise in Serie geschaltet sind, Mittel zum Betreiben der Schaltung als Schaltregler, Vorrichtungen zum Messen der Verlustleistung an den Treibertransistoren, welche bei zu hoher Verlustleistung die Treiberströme reduzieren oder ausschalten können, Mittel zum Messen der Temperatur, welche bei zu hoher Temperatur die Treiberströme reduzieren oder ausschalten können, Mittel zum Betreiben der Leuchtdioden mittels Puls-Weiten-Modulation, um die Verlustleistung an den Treibertransistoren zu reduzieren, Mittel zum stufenlosen Ein- und Ausschalten der Leuchtdioden (Dimmen), Mittel zum Reduzieren der Verlustleistung des Controllers bei abgeschalteten Leuchtdioden (Stand-by-Betrieb), Mittel zum Anschluss von mindestens einem Sensor-Pad zum Steuern des Controllers mittels Berührung, wobei die einzelnen Pads unterschiedliche Funktionen beinhalten können, wobei die Funktionen beispielsweise durch kurze oder lange Berührung der Pads ausgelöst werden können, sowie Mittel zum Erzeugen einer niedrigen Betriebsspannung für den Controller aus einer höheren Spannung, welche für den Betrieb der Leuchtdioden genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ansteuerung von Leuchtdioden, welche vorzugsweise zu Beleuchtungszwecken genutzt werden. Insbesondere betrifft die Erfindung Anordnungen, die eine Vielzahl von Leuchtdioden ansteuern, die ferner direkt an der Netzspannung 220V (oder ggf. 110V) oder einer anderen hohen Spannung, betrieben werden können und die eine stufenlose Helligkeitseinstellung (Dimmung) bevorzugt mittels eines Berührungssensor ermöglichen.
Hintergrund der Erfindung
Es sind eine Reihe von Ansteuerschaltungen für Leuchtdioden (LEDs) bekannt, die jedoch meist mit Niederspannung und hohen Strömen arbeiten bzw. keinen weiteren Komfort bezüglich Ansteuerung bieten. Als Anlage sind folgende Datenblätter zum Stand der Technik beigefügt:

– HKO 350, Fa. Reichelt, Deutschland
– LED-DRIVE35HV, Fa. Reichelt/Schniederwerke, Deutschland
– HV9925, Fa. Supertex inc., USA

Da Leuchtdioden beliebig in Serie geschaltet werden können, ist ein Betrieb an Hochspannungen (Netzspannung) oder zumindest höheren Spannungen günstig. Dies ermöglicht Verlustleistung sparende und kostengünstige Schaltungen, da aufwendige Transformatoren oder Schaltregler entfallen.
Es besteht ferner Bedarf an intelligenten, preisgünstigen, Verlustleistung und Platz sparenden LED-Ansteuerungen, welche Übersteuerungs- und Temperaturbegrenzungen sowie die Steuermöglichkeit mittels Sensor-Dimmer beinhalten, also der stufenlosen Stromeinstellung mittels Berührungsschalter.
Übliche Schaltungsanordnungen, die bei Schaltreglern eingesetzt werden, können ferner zur Anwendung kommen. Diese Schaltungen verringern zusätzlich die Verlustleistung (Wirkleistung) an den Schaltelementen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine LED-Ansteueranordnung dar, die folgende Schaltungsteile aufweist:

– einen Controller, der mindestens einen Treibertransistor ansteuert, welcher die in Serie geschalteten LEDs treibt,
– der Controller kann die LEDs mittels Puls-Weiten-Modulation ansteuern, welche verlustleistungsarm ist, und die ferner den mittleren LED-Strom stufenlos einstellbar macht,
– eine Spannungsversorgung, welche aus einer (Wechselspannungs-) Hochspannungsquelle eine geeignete Niederspannung für den Controller erzeugt,
– eine Temperaturüberwachung, welche zu hohe Temperaturen der Schaltung erkennt und die Treiberströme entsprechend reduziert oder abschaltet,
– eine Verlustleistungsüberwachung, welche zu hohe Verlustleistungen in der Schaltung (speziell am Treibertransistor) erkennt und die Treiberströme entsprechend reduziert oder abschaltet,
– eine Sleep-Mode-Schaltung (für Stand-By-Betrieb), die bei abgeschalteten LEDs den Versorgungsstrom des Controllers reduzieren kann,
– Schaltungsteile für einen Betrieb mittels geschalteten Strömen (Puls-Weiten-Modulation) zur Verringerung der Verlustleistung
– Anschlüsse für mindesten ein Sensor-Pad zur Steuerung mittels Berührung, wobei ein einschalten und Dimmen möglich ist.

Die Schaltungsanordnung kann demzufolge eine Vielzahl von Leuchtdioden ansteuern, die bevorzugt in Serie geschaltet sind. Der Strom wird üblicherweise begrenzt, über eine Puls-Weiten-Modulation wird der mittlere Strom für die Leuchtdioden eingestellt und kann stufenlos variiert werden.
Eine üblicherweise im Voltbereich liegende Spannungsversorgung (z.B. 3V) wird aus einer höheren Spannung (z.B. 220V) erzeugt. Dabei kann die höhere Spannung eine Gleich- oder Wechselspannung sein. Diese Spannungsversorgung ist sehr verlustleistungsarm und kann ggf. bei abgeschalteten Leuchtdioden durch geeignete Maßnahmen weiter reduziert werden (Stand-By-Betrieb).
Eine Verlustleistungsüberwachung, die den Spannungsabfall (bei bekanntem Strom) an mindestens einem Transistor überwacht, verhindert dessen Überlastung.
Die Steuerung des Controllers erfolgt bevorzugt über Sensor-Pads, die über Berührung die Ansteuerung der LEDs verändern können. Diese Art der Ansteuerung benötigt keine mechanischen Schalter und ist daher sehr zuverlässig. Dabei können mehrere Treibertransistoren und mehrere Sensor-Pads zum Einsatz kommen. Die Sensor-Steuerung kann zudem, beispielsweise durch unterschiedlich lange Berührungszeiten oder einer Folge von kurzen und/oder langen Berührungen, unterschiedliche Aktionen im Controller auslösen.
Beschreibung der Zeichnungen
1: Die Grundschaltung der LED Ansteuerung.
2: Die Schaltungsanordnung mit Induktivitäten zur Verringerung des Spannungsabfalls am Treibertransistor bei Puls-Weiten-Modulation und damit einhergehender Reduzierung der Verlustleistung am Treibertransistor
3: Anordnung zur Erfassung der Verlustleistung am Treibertransistor
4: Anordnung zur Erfassung der Treibertransistor-Temperatur
5: Anordnung zum Anschluss der Sensor-Pads
6: Anordnung zum Reduzieren der Verlustleistung bei ausgeschalteten Leuchtdioden (Stand-By-Betrieb)
7: Anordnung zur Ansteuerung von zwei (oder mehr) Leuchtdioden-Strängen, sowie mit mehreren Sensor-Pads zur getrennten Ansteuerung der Leuchtdioden-Stränge.
8: Schematische Darstellung von Zeitbedingungen für die Berührungssteuerung zum Ein-Aus-Schalten oder Dimmen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt die Grundschaltung der LED-Ansteuerung. Ein Gleichrichter (70, 71) erzeugt eine Gleichspannung aus der Wechselspannung (220V≈). Der Gleichrichter kann auch beispielsweise als Brückengleichrichter oder als einfache Diode ausgeführt sein. Die Gleichspannung kann durch den Kondensator 73 geglättet werden. Mittels einer (schematisch gezeichneten, beispielhaften) Spannungserzeugung für den Niederspannungsteil (50, 51, hier als einfacher Spannungsteiler dargestellt) wird die Spannungsversorgung für den Controller (10) erzeugt. Die Spannungsversorgung kann auch beispielsweise als Spannungsregler oder mit einer einfachen Diodenschaltung (Zener-Diode) ausgeführt sein. Der Controller steuert mindestens einen Schalter (11, Treibertransistor) an, der die Leuchtdioden einschaltet. Der Schalter ist hier beispielsweise als MOS-Transistor (11) ausgebildet. Es können auch mehrere Schalter angesteuert werden. Es wird eine Serienschaltung von n Leuchtdioden (20) angesteuert. Im einfachsten Fall entspricht die gesamte Flussspannung der Leuchtdioden im Betrieb der Versorgungsspannung. Somit müsste der Schalter nur die Spannung einschalten, der Strom würde durch die LEDs begrenzt werden. Dies ist jedoch im Allgemeinen nicht der Fall, weshalb weitere Maßnahmen zur Strom Begrenzung und Ansteuerung getroffen werden müssen, die im Anschluss erläutert werden.
2 zeigt eine Erweiterung der Schaltung. Hier werden die Dioden mittels Puls-Weiten-Modulation angesteuert (ähnlich wie bei Schaltreglern), ein Spannungsabfall and den Induktivitäten (40, 43) erzeugt die nötige Strombegrenzung. Weitere Bauteile (42, 44 (Löschdiode)) vervollständigen diese Schaltung. Mittels dieser Schaltung kann durch Änderung der Puls-Weiten-Modulations-Frequenzen der Spannungsabfall an den Induktivitäten verändert und damit der Spannungsabfall (Drain-Source-Spannung) am Steuertransistor (11) eingestellt (reduziert) werden.
3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Verlustleistung am Steuertransistor (11). In diesem Fall ist auch eine Strombegrenzung realisiert mittels der Gegenkopplung mit dem Widerstand (31). Wird der Transistor nun eingeschaltet, wird durch die Stromgegenkopplung (31) der Strom begrenzt. Es entsteht eine Restspannung (die Drain-Source-Spannung 35) am Transistor (11), die Verlustleistung errechnet sich aus dieser Spannung und dem bekannten Strom im Widerstand (31). Dieser Strom ist per Design bekannt und ergibt sich aus den Transistoreigenschaften, dessen Ansteuerdaten sowie dem Widerstandswert. Der Spannungsteiler (33, 32) erzeugt eine Eingangsspannung am Controller, welche mittels der Eingangsschaltung (18) ausgewertet werden kann. Diese Eingangsschaltung kann beispielsweise ein Komparator oder ein Analog-Digital-Wandler sein. Überschreitet der Spannungswert an der Eingangsschaltung (18) einen bestimmten Wert, so kann der Controller den Strom reduzieren oder abschalten. Bei Puls-Weiten-Modulation wird der Spannungswert am Eingang (18) nur während der Einschaltphase gemessen.
4 zeigt die Anordnung zur Erfassung der Transistor-Temperatur. Ein temperaturabhängiger Widerstand (Thermistor, 12) oder anderer Temperatursensor erfasst die Transistortemperatur. Der Sensor ist nahe am Transistor montiert und hat guten thermischen Kontakt (13) zu diesem. Die Auswerteschaltung am Controller (14, 15) ist in der Lage die entsprechenden Messwerte auszuwerten, z.B. den Widertandswert des Thermistors. Bei Überschreitung der Grenzwerte kann der LED-Strom durch den Controller reduziert oder abgeschaltet werden. Gegebenenfalls kann auch ein in den Controller integrierter Temperatursensor verwendet werden, wenn die thermische Kopplung zum Transistor gut ist.
5. zeigt als Beispiel die Funktionsweise der Ansteuerung mittels eines Sensor-Pads (42). Das Sensor-Pad wird über einen hochohmigen Widerstand (41) mit dem Controller (10) verbunden, wobei der Controller eine dafür geeignete Eingangsschaltung (40) besitzt. Diese ist beispielsweise hochohmig, besitzt aber eine Spannungsbegrenzung, wie sie beispielsweise auch zum ESD-Schutz in integrierten Schaltungen vorgesehen ist. Wird das Sensor-Pad von einer Person berührt, wird eine Verbindung über den Körperwiderstand (43) zur „Erde" (46) hergestellt. Wichtig ist für diese Art der Ansteuerung, dass der Masse-Punkt der Schaltung (45) nicht mit dem Erdungspunkt der Stromnetzes „220V≈N" (46, 74) verbunden ist, sondern mit dem Spannungsführenden Punkt „220V≈L" (75). Dadurch kann am Controller ein Signal mit der Netzfrequenz (z.B. 50Hz) erzeugt werden. Der sehr hochohmigen Vorwiderstand (41) verhindert zusammen mit der Spannungsbegrenzung in der Eingangsschaltung (40) eine Überlastung des Controllereingangs.
6 zeigt die Ausführung mit einer Reduzierung des Versorgungsstromes. Ohne die Stromreduzierung wird der Controller über die Widerstände (50, 51) versorgt, die Schalter (Transistoren 53, 55) sind eingeschaltet), die Funktionsweise ist vergleichbar zu der in 1. Moderne Controller-Schaltungen können in einen „Power-Down-Modus" (auch „Stand-By-Modus" genannt) geschaltet werden, wobei sie dann nur mehr einen Bruchteil (beispielsweise wenige Prozent) der ursprünglichen Stromaufnahme zeigen. Parallel zu den Versorgungswiderständen (50, 51) liegen weitere Widerstände (52, 54) parallel, die jedoch sehr viel hochohmiger sind und daher im Normalfall keine Rolle spielen. Im Stand-By-Betrieb, wenn der Controller die meisten seiner Funktionen stilllegt, kann er die Schalter (Transistoren 53, 55) öffnen. Dadurch fließt nur mehr der Strom durch die hochohmigeren Widerstände (52, 54). Die Stromaufnahme ist dadurch wesentlich reduziert. Die genannte Stromversorgung ist beispielhaft (weil sehr einfach und kostengünstig realisierbar), es sind auch andere Stromversorgungen, beispielsweise aktive Regler oder Zener-Dioden-Schaltungen, mit ähnlicher Funktionsweise denkbar.
7 zeigt eine Anwendung mit mehreren Treibertransistoren (11, 17). Es können auch mehrere Sensor-Pads (42, 48) angeschlossen sein, damit die Treibertransistoren (11, 17) getrennt ansteuerbar sind. Damit kann beispielsweise die Farbtemperatur einer Anordnung verändert werden, wenn die beiden LED-Stränge (20, 21) unterschiedliche Farben haben (z.B. Weiß und Gelb).
8 zeigt ein Beispiel für eine Sensor-Steuerung, wobei hier mit einem Sensor zwei Funktionen realisiert werden können. Wird das Sensor-Pad (42) (oder alternativ auch ein Schalter) nur kurz berührt (t_EIN < t_MIN), wird eine Ein-Aus-Schaltfunktion wirksam. Wird das Sensor-Pad hingegen länger berührt (t_EIN > t_MIN), wird eine Dimmer-Funktion eingeschaltet, die ein langsames Ansteigen oder Abfallen des LED-Stromes bewirkt. Es können beispielsweise aber auch durch hintereinander folgende kurze und/oder lange Berührungen andere Aktionen im Controller ausgelöst werden.

Claims

Treiberschaltung für Leuchtdioden, die aufweist: – Einen Controller, der die Ansteuerung mindestens eines Treibertransistors realisiert und welcher mindestens einen Steuereingang enthält, die die Steuerung des mindesten einen Treibertransistors beeinflussen kann, – eine Treiberschaltung, welche mehrere in Serie geschaltete Leuchtdioden treiben kann, – mindestens einen Steuereingang des Controllers, welcher für Steuerung durch Berührung geeignet ist, – eine Spannungsversorgung, welche aus einer höheren, für die Versorgung der Leuchtdioden nötigen, Gleich- oder Wechselspannung eine Niederspannung für den Controller erzeugt.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, die Mittel zur Puls-Modulations-Ansteuerung enthält.
Treiberschaltung nach Anspruch 2, die Bauteile enthält, die einen wirkleistungsarmen Spannungsabfall an den Induktivitäten erzeugen.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, 2, oder 3, die eine Überwachung der Verlustleistung an mindestens einem Treibertransistor gewährleistet und die bei erhöhter Verlustleistung eine Abschaltung oder Reduzierung der Treiberströme auslösen kann.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, 2, oder 3, die eine Überwachung der Temperatur der Treibertransistoren gewährleistet und die bei erhöhter Temperatur eine Abschaltung oder Reduzierung der Treiberströme auslösen kann.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, 2, oder 3, die Mittel aufweist, die die Herabsetzung der Verlustleistung des Controllers bei ausgeschalteten Leuchtdioden gewährleisten.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, 2, oder 3, welche Steuereingänge enthält, die die Berührungszeit auswerten und damit abhängig von der Berührungszeit verschiedene Funktionen der Treiberschaltung auslösen können.
Verfahren zu Steuerung von Leuchtdioden, wodurch aufgrund von unterschiedlich langen Berührungszeiten bzw. mehreren einzelnen Berührungen des Sensors bzw. der Steuereingänge unterschiedliche Funktionen des Treibers ausgelöst werden.