Die
vorliegende Erfindung betrifft eine geregelte Stromversorgungsschaltung
zur Bereitstellung eines Versorgungsstromes für eine Last, insbesondere für eine Last
mit wenigstens einer Leuchtdiode (LED), und eine Schaltungsanordnung
mit einer Stromversorgungsschaltung.The
The present invention relates to a regulated power supply circuit
for providing a supply current for a load, in particular for a load
with at least one light-emitting diode (LED), and a circuit arrangement
with a power supply circuit.
Als
Ersatz für
herkömmliche
Glühlampen werden – beispielsweise
in Kraftfahrzeugen – zunehmend
Leistungs-Leuchtdioden (Leistungs-LEDs, Power LEDs) eingesetzt.
Diese Leuchtdioden besitzen gegenüber herkömmlichen Leuchtdioden eine
höhere
Leistungsaufnahme und damit auch eine höhere Lichtausbeute, unterliegen
jedoch auch einer stärkeren
Erwärmung.
Leuchtdioden werden üblicherweise auf
Platinen (Printed Circuit Board, PCB) montiert, die bei zu hohen
Temperaturen beschädigt
bzw. zerstört
werden können.
Sofern keine ausreichende Kühlung
vorhanden ist, kann eine auf einer Platine montierte Leuchtdiode
zu einer solchen Beschädigung
der Platine führen.
Dieses Problem ist hierbei um so größer, je kleiner die Platine
ist und je kleiner somit deren Fähigkeit
ist, in wärme
umgesetzte Verlustleistung abzuführen.When
Replacement for
conventional
Incandescent lamps are - for example
in motor vehicles - increasingly
Power LEDs (Power LEDs, Power LEDs) used.
These light-emitting diodes have over conventional light-emitting diodes one
higher
Power consumption and thus a higher light output, subject
but also a stronger one
Warming.
LEDs are usually on
Printed circuit board (PCB), which is too high
Temperatures are damaged
or destroyed
can be.
Unless sufficient cooling
is present, can be mounted on a board light emitting diode
to such damage
lead the board.
This problem is the bigger, the smaller the board
and thus the smaller their ability
is, in heat
dissipate converted power loss.
Die DE 199 30 174 A1 beschreibt
eine Stromversorgungsschaltung für
eine Anzahl in Reihe geschalteter Leuchtdioden, die getaktet einen
Strom für
die Leuchtdioden zur Verfügung
stellt, der von einer Temperatur abhängig ist.The DE 199 30 174 A1 describes a power supply circuit for a number of series-connected light-emitting diodes, which clocked provides a current for the light-emitting diodes, which is dependent on a temperature.
Die DE 198 10 827 A1 beschreibt
eine Schaltung zur Stromversorgung einer Leuchtdiode. In Reihe zu
der Leuchtdiode sind bei dieser Schaltung eine Spule und ein Schalter
geschaltet, wobei der Schalter pulsweiten moduliert geöffnet und
geschlossen wird. Eine Ausschaltdauer dieses Schalters ist pro Ansteuerzyklus
dabei abhängig
von einer an der Leuchtdiode ermittelten Temperatur.The DE 198 10 827 A1 describes a circuit for powering a light emitting diode. In series with the light emitting diode, a coil and a switch are connected in this circuit, wherein the switch is opened and closed pulse width modulated. A switch-off duration of this switch is dependent on a temperature determined at the light-emitting diode per actuation cycle.
Die US 2005/0140315 A1 beschreibt
eine Ansteuerschaltung für
eine Leuchtdiodenanordnung. Diese Ansteuerschaltung weist in Reihe
zu der Leuchtdiodeanordnung eine Spule und ein pulsweiten moduliert
angesteuertes Schaltelement auf. Eine Ansteuerung des Schaltelements
erfolgt durch einen Controller, dem ein Signal zugeführt ist,
das abhängig von
einer Umgebungstemperatur ein Absenken des die LED durchfließenden Stromes
bewirkt.The US 2005/0140315 A1 describes a drive circuit for a light emitting diode array. This drive circuit has, in series with the light-emitting diode arrangement, a coil and a pulse-width-modulated, triggered switching element. A control of the switching element is effected by a controller, which is supplied with a signal which causes a lowering of the current flowing through the LED depending on an ambient temperature.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromversorgungsschaltung
für eine
Last, insbesondere für
eine Leuchtdiode, zur Verfügung
zu stellen, die eine zuverlässige
Versorgung der Last bei gleichzeitigem Schutz der Umgebung vor einer Überhitzung
gewährleistet,
und eine Schaltungsanordnung- mit
einer solchen Stromversorgungsschaltung zur Verfügung zu stellen.task
It is the object of the present invention to provide a power supply circuit
for one
Last, especially for
a light emitting diode, available
to provide a reliable
Supplying the load while protecting the environment from overheating
guaranteed
and a circuit arrangement with
to provide such a power supply circuit.
Diese
Aufgabe wird durch eine Stromversorgungsschaltung nach Anspruch
1 und durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.These
The object is achieved by a power supply circuit according to claim
1 and solved by a circuit arrangement according to claim 7. advantageous
Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Eine
Ausführungsform
der Stromversorgungsschaltung gemäß der Erfindung umfasst einen Laststrompfad
zum Anschließen
einer Last, der ein Schaltelement aufweist, einen Stromsensor zur
Bereitstellung eines von einem Strom durch den Laststrompfad abhängigen Strommesssignals,
eine Ansteuerschaltung, die ein getaktetes Ansteuersignal mit mehreren
jeweils eine Einschaltdauer und eine Ausschaltdauer aufweisenden
Ansteuerzyklen für das
Schaltelement bereitstellt, und eine Temperatursensoranordnung mit
einem Temperatursensor zur Ermittlung einer Umgebungstemperatur
im Bereich des Temperatursensors, die ein von der Umgebungstemperatur
abhängiges
Temperaturmesssignal bereitstellt. Das getaktete Ansteuersignal
dieser Stromversorgungsschaltung besitzt ein Tastverhältnis, das von
dem Strommesssignal und dem Temperaturmesssignal abhängig ist.A
embodiment
The power supply circuit according to the invention comprises a load current path
to connect
a load having a switching element, a current sensor for
Providing a current measuring signal dependent on a current through the load current path,
a drive circuit having a clocked drive signal with a plurality
each have a duty cycle and a turn-off
Control cycles for the
Switching element provides, and a temperature sensor arrangement with
a temperature sensor for determining an ambient temperature
in the range of the temperature sensor, which is one of the ambient temperature
dependent
Temperature measurement signal provides. The clocked drive signal
This power supply circuit has a duty ratio of
the current measurement signal and the temperature measurement signal is dependent.
Das
getaktet angesteuerte Schaltelement dieser Stromversorgungsschaltung
steuert die Stromaufnahme der Stromversorgungsschaltung und damit
die Stromaufnahme der Last. Diese Stromaufnahme ist hierbei von
dem Tastverhältnis
des das Schaltelement ansteuernden Ansteuersignals abhängig. Die
Einstellung des Tastverhältnisses
dieses getakteten Ansteuersignals abhängig von der Temperatur ermöglicht eine
Regelung der Leistungsaufnahme abhängig von der Temperatur in
der Umgebung der Leuchtdiode.The
clocked controlled switching element of this power supply circuit
controls the power consumption of the power supply circuit and thus
the current consumption of the load. This current consumption is from
the duty cycle
of the switching element driving the drive signal dependent. The
Setting the duty cycle
This clocked drive signal depending on the temperature allows a
Control of power consumption depending on the temperature in
the environment of the LED.
Ausführungsformen
der vorliegende Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren
näher erläutert.embodiments
The present invention will be described below with reference to FIGS
explained in more detail.
1 zeigt
ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung,
die einen Laststrompfad mit einem Schalter, eine Ansteuerschaltung
für den
Schalter und eine Temperatursensoranordnung aufweist. 1 shows a circuit diagram of an embodiment of a power supply circuit according to the invention comprising a load current path with a switch, a drive circuit for the switch and a temperature sensor arrangement.
2 zeigt
ein Realisierungsbeispiel für
die Ansteuerschaltung. 2 shows an implementation example for the drive circuit.
3 veranschaulicht
die Funktionsweise einer Stromversorgungsschaltung mit einer Ansteuerschaltung
gemäß 2 anhand
zeitlicher Verläufe ausgewählter, in
der Stromversorgungsschaltung vorkommender Signale. 3 illustrates the operation of a power supply circuit with a drive circuit according to 2 on the basis of time profiles of selected signals occurring in the power supply circuit.
4 zeigt
ein weiteres Realisierungsbeispiel für die Ansteuerschaltung. 4 shows a further realization example for the drive circuit.
5 zeigt
ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel eines in der Ansteuerschaltung
gemäß 4 vorhandenen
Zeitglieds. 5 shows a circuit reali Sierungsbeispiel one in the drive circuit according to 4 existing timer.
6 veranschaulicht
die Funktionsweise einer Ausführungsform
einer Stromversorgungsschaltung gemäß der Erfindung mit einer Ansteuerschaltung
gemäß 4 anhand
zeitlicher Verläufe ausgewählter, in
der Stromversorgungsschaltung vorkommender Signale. 6 1 illustrates the operation of an embodiment of a power supply circuit according to the invention with a drive circuit according to FIG 4 on the basis of time profiles of selected signals occurring in the power supply circuit.
7 zeigt
eine Ausführungsform
einer Stromversorgungsschaltung gemäß der Erfindung, die eine Freigabeschaltung
aufweist. 7 shows an embodiment of a power supply circuit according to the invention having an enable circuit.
8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Sensoranordnung. 8th shows an embodiment of a sensor arrangement.
9 veranschaulicht Temperaturabhängigkeiten
einzelner in der Sensoranordnung gemäß 8 vorkommender
Signale. 9 illustrates temperature dependencies of individual in the sensor arrangement according to 8th occurring signals.
10 zeigt im Querschnitt (10A) und in Draufsicht (10B)
eine auf einem Träger
angeordnete Stromversorgungsschaltung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung mit angeschlossener Last. 10 shows in cross section ( 10A ) and in plan view ( 10B ) a power supply circuit disposed on a carrier according to an embodiment of the invention with a connected load.
In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.In
denote the figures, unless otherwise indicated, like reference numerals
same circuit components and signals with the same meaning.
1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Stromversorgungsschaltung 10 zur Stromversorgung einer
Last. Diese Stromversorgungsschaltung 10 weist einen Laststrompfad
auf, der in dem Beispiel zwischen ersten und zweiten Anschlussklemmen 11, 12 der
Stromversorgungsschaltung 10 verläuft. In diesen Laststrompfad
ist ein Schaltelement 6 geschaltet, das zur getakteten
Stromversorgung einer an den Laststrompfad anschließbaren Last 7 dient
und das während
des Betriebs der Stromversorgungsschaltung durch einen Ansteuerschaltung 2 mittels
eines getakteten Ansteuersignals S2 angesteuert ist. Dieses getaktete
Ansteuersignal S2 weist während
des Betriebs der Stromversorgungsschaltung mehrere zeitlich aufeinanderfolgende
Ansteuerzyklen auf, die jeweils eine Einschaltdauer und eine Ausschaltdauer
aufweisen. Das Schaltelement 6 ist hierbei während der
Einschaltdauern leitend angesteuert und während der Ausschaltdauern sperrend
angesteuert. Ein Tastverhältnis
d dieses getakteten Ansteuersignals S2 während eines Ansteuerzyklus
ist definiert durch den Quotienten aus der Einschaltdauer während dieses
Ansteuerzyklus und der Gesamtdauer dieses Ansteuerzyklus, d. h.
der Summe aus der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer. Es gilt
also: d = Ton/T = Ton/(Ton + Toff) (1). 1 shows a first embodiment of a power supply circuit 10 for powering a load. This power supply circuit 10 has a load current path, which in the example between first and second terminals 11 . 12 the power supply circuit 10 runs. In this load current path is a switching element 6 connected to the clocked power supply of a connectable to the load current load 7 serves and during operation of the power supply circuit by a drive circuit 2 is driven by a clocked drive signal S2. This clocked drive signal S2 has during operation of the power supply circuit to a plurality of time-sequential drive cycles, each having a duty cycle and a turn-off. The switching element 6 In this case, it is activated during the switch-on periods and activated during the switch-off periods. A duty cycle d of this clocked drive signal S2 during a drive cycle is defined by the quotient of the duty cycle during this drive cycle and the total duration of this drive cycle, ie the sum of the duty cycle and the turn-off duration. It therefore applies: d = tone / T = tone / (tone + Toff) (1).
Ton
bezeichnet hierbei die Einschaltdauer während eines Ansteuerzyklus,
Toff die Ausschaltdauer während
dieses Ansteuerzyklus und T die Dauer des Ansteuerzyklus.volume
denotes the duty cycle during a drive cycle,
Toff the off duration during
this drive cycle and T the duration of the drive cycle.
Die
Ansteuerschaltung 2 erzeugt das getaktete Ansteuersignal
S2 derart, dass dessen Tastverhältnis
von einem Laststrom IL im Laststrompfad und von einem durch eine
Temperatursensoranordnung 4 bereitgestellten Temperaturmesssignal
S4 abhängig ist.
Eine Information über
den Momentanwert des den Last strompfad durchfließenden Laststromes IL ist der
Ansteuerschaltung 2 in Form eine Strommesssignals S5 zugeführt, das
durch einen Stromsensor 5 bereitgestellt wird und das proportional
zu dem Laststrom IL ist.The drive circuit 2 generates the clocked drive signal S2 such that its duty cycle of a load current IL in the load current path and of a by a temperature sensor arrangement 4 provided temperature measurement signal S4 is dependent. Information about the instantaneous value of the load current flowing through the load current IL is the drive circuit 2 in the form of a current measuring signal S5 supplied by a current sensor 5 is provided and that is proportional to the load current IL.
Der
Stromsensor 5 kann ein beliebiger, zur Messung des Laststromes
IL und Bereitstellung des Strommesssignals S5 geeigneter Stromsensor
sein. Der Stromsensor kann beispielsweise durch einen in den Laststrompfad
geschalteten Messwiderstand realisiert sein, an dem der Laststrom
einen Spannungsabfall hervorruft, der dem Messsignal S5 entspricht.The current sensor 5 can be any suitable for the measurement of the load current IL and provision of the current measurement signal S5 current sensor. The current sensor can be realized, for example, by a measuring resistor connected in the load current path, at which the load current causes a voltage drop which corresponds to the measuring signal S5.
Das
Schaltelement 6 kann beispielsweise als Leistungs-Bipolartransistor
oder als Leistungs-MOS-Transistor realisiert sein, der eine Vielzahl
gleichartiger parallel geschalteter Transistorzellen aufweist. Bei
einer solchen Realisierung des Schaltelements 6 kann die
Messung des Laststromes IL und damit die Bereitstellung des Strommesssignals
S5 in nicht näher
dargestellter Weise nach dem sogenannten Strom-Sense-Prinzip erfolgen. Hierbei
wird das Zellenfeld in eine erste Gruppe Transistorzellen, die sogenannten
Lastzellen, und eine zweite Gruppe Transistorzellen, die sogenannten Messzellen,
unterteilt. Die Lastzellen dienen hierbei zur Stromversorgung einer
angeschlossenen Last, während
die Messzellen zur Strommessung genutzt und durch geeignete Ansteuerung
im selben Arbeitspunkt wie die Lastzellen betrieben werden. Ein
die Messzellen durchfließender
Messstrom steht dann über
den Quotienten aus der Anzahl der Messzellen zur Anzahl der Lastzellen
im Verhältnis
zu dem Laststrom. Der Messstrom kann hierbei – beispielsweise durch einen
Messwiderstand – unmittelbar
zur Erzeugung eines Strommesssignals verwendet werden.The switching element 6 For example, it may be realized as a power bipolar transistor or as a power MOS transistor having a plurality of similar parallel-connected transistor cells. In such a realization of the switching element 6 the measurement of the load current IL and thus the provision of the current measurement signal S5 in a manner not shown can be carried out according to the so-called current-sense principle. In this case, the cell field is subdivided into a first group of transistor cells, the so-called load cells, and a second group of transistor cells, the so-called measuring cells. The load cells serve to supply power to a connected load, while the measuring cells are used for current measurement and are operated by suitable control at the same operating point as the load cells. A measurement current flowing through the measuring cells is then based on the quotient of the number of measuring cells to the number of load cells in relation to the load current. The measuring current can be used here - for example, by a measuring resistor - directly to generate a current measuring signal.
Die
Temperatursensoranordnung 4 weist in dem in 1 dargestellten
Beispiel einen Temperatursensor 42 auf, der dazu dient
eine Umgebungstemperatur zu ermitteln und der unmittelbar benachbart
zu der Last 7 oder auch beabstandet zu der Last 7 angeordnet
sein kann. Dieser Temperatursensor 42 ist an eine Wandlereinheit 41 angeschlossen,
die aus einer durch den Temperatursensor 42 erfassten Umgebungstemperatur
das von dieser Umgebungstemperatur abhängige Temperaturmesssignal
S4 erzeugt.The temperature sensor arrangement 4 points in the in 1 Example shown a temperature sensor 42 which serves to determine an ambient temperature and that immediately adjacent to the load 7 or also spaced from the load 7 can be arranged. This temperature sensor 42 is to a transducer unit 41 connected by a through the temperature sensor 42 detected ambient temperature dependent on this ambient temperature temperature measurement signal S4 he testifies.
Die
an den Laststrompfad der Stromversorgungsschaltung 10 angeschlossene
Last 7 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Reihenschaltung eines induktiven Speicherelements 72, beispielsweise
einer Spule, und wenigstens einer Leuchtdiode 71, 7n.
In dem Beispiel sind zwei Leuchtdioden 71, 7n in
Reihe zu dem induktiven Speicherelement geschaltet, wie jedoch grafisch durch
Punkte angedeutet ist, kann abhängig
von einer gewünschten
Beleuchtungssituation eine beliebige Anzahl Leuchtdioden in Reihe
zu dem induktiven Speicherelement 72 geschaltet werden.The to the load current path of the power supply circuit 10 connected load 7 includes in the illustrated embodiment, a series connection of an inductive storage element 72 , For example, a coil, and at least one light emitting diode 71 . 7n , In the example, two LEDs 71 . 7n connected in series with the inductive storage element, however, as is indicated graphically by dots, depending on a desired lighting situation, any number of light-emitting diodes in series with the inductive storage element 72 be switched.
Parallel
zu der Reihenschaltung mit dem induktiven Speicherelement 72 und
den Leuchtdioden 71, 7n ist ein Freilaufelement 73 geschaltet,
das in dem Beispiel als Diode realisiert ist und das dazu dient,
bei sperrend angesteuertem Schaltelement 6 und zuvor magnetisiertem
induktiven Speicherelement 72 einen durch Abkommutieren
des Speicherelements 72 fließenden Strom zu übernehmen.
Alternativ zu einem passiven Bauelement, wie der dargestellten Diode,
kann das Freilaufelement 73 in nicht näher dargestellter Weise auch
durch ein aktives Bauelement, wie beispielsweise einen Transistor
realisiert sein, der als sogenannter Synchrongleichrichter verschaltet
ist.Parallel to the series connection with the inductive storage element 72 and the light emitting diodes 71 . 7n is a freewheeling element 73 connected, which is realized in the example as a diode and which serves, with blocking driven switching element 6 and previously magnetized inductive storage element 72 one by Abkommutieren of the memory element 72 to take over flowing electricity. As an alternative to a passive component, such as the illustrated diode, the freewheeling element 73 in a manner not shown also be realized by an active device, such as a transistor, which is connected as a so-called synchronous rectifier.
Das
Freilaufelement 73 ist in 1 als Teil der
Last 7 dargestellt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit,
dieses Freilaufelement 73 in der Ansteuerschaltung 10 vorzusehen.
Die Ansteuerschaltung 10 besitzt dann eine zusätzliche
Anschlussklemme 16, die in 1 gestrichelt
dargestellt ist und die dazu dient, das Freilaufelement 73 an
die Klemme für das
Versorgungspotential Vs anzuschließen. Die Last wird bei einer
solchen Ansteuerschaltung zwischen die erste Anschlussklemme 11 und
diese weitere Anschlussklemme 15 geschaltet.The freewheeling element 73 is in 1 as part of the load 7 shown. However, there is also the possibility of this freewheeling element 73 in the drive circuit 10 provided. The drive circuit 10 then has an additional connection terminal 16 , in the 1 dashed lines and which serves to the freewheeling element 73 to be connected to the terminal for the supply potential Vs. The load is in such a drive circuit between the first terminal 11 and this other terminal 15 connected.
Parallel
zu der Reihenschaltung der Last und des Laststrompfades kann zum
Ausgleich von Spannungsschwankungen und zur Glättung des Stromverlaufs in
der Versorgungsleitung zu der Last der Versorgungsspannung ein Pufferkondensator 74 geschaltet
sein, der in 1 gestrichelt dargestellt ist. Eine
Glättung
des Stromverlaufs in der Versorgungsleitung ist hierbei im Hinblick
auf eine Reduktion des Oberwellengehalts und damit auf eine Reduktion
der EMV-Abstrahlung sinnvoll.Parallel to the series connection of the load and the load current path, a buffer capacitor can be used to compensate for voltage fluctuations and to smooth the current profile in the supply line to the load of the supply voltage 74 be switched in 1 is shown in dashed lines. A smoothing of the current profile in the supply line is useful here with regard to a reduction of the harmonic content and thus to a reduction of the EMC radiation.
Zur
Spannungsversorgung der in der Ansteuerschaltung 10 vorhandenen
Schaltungskomponenten kann eine Spannungsversorgungsschaltung 8 (gestrichelt
dargestellt) vorhanden sein, die über eine Anschlussklemme 15 an
die Klemme für
das Versorgungspotential Vs angeschlossen ist, und die beispielsweise
dazu dient das Versorgungspotential für die Last auf ein zur Versorgung
der Schaltungskomponenten geeignetes Potential umzusetzen. Lediglich
grafisch angedeutet sind in 1 Leitungsverbindungen
zwischen dieser Spannungsversorgungsschaltung 8 und den übrigen Schaltungskomponenten.To the power supply in the drive circuit 10 existing circuit components can be a power supply circuit 8th (shown in dashed lines), which are connected via a terminal 15 is connected to the terminal for the supply potential Vs, and for example, serves to implement the supply potential for the load to a suitable for the supply of the circuit components potential. Only graphically indicated in 1 Line connections between this power supply circuit 8th and the other circuit components.
Die
grundsätzliche
Funktionsweise der dargestellten Stromversorgungsschaltung 10 wird
nachfolgend kurz erläutert:
Die
Reihenschaltung des Laststrompfades der Stromversorgungsschaltung 10 und
der Last 7 ist während
des Betriebs der Stromversorgungsschaltung zwischen eine Klemme
für ein
erstes Versorgungspotential Vs und ein zweites Versorgungspotential
bzw. Bezugspotential GND geschaltet. Bei einer getakteten Ansteuerung
des Schaltelements 6, d. h. einer abwechselnden leitenden
Ansteuerung des Schaltelements 6 jeweils für eine Einschaltdauer
und einer sperrenden Ansteuerung jeweils für eine Ausschaltdauer wird – unter
der Annahme eines vernachlässigbaren
Einschaltwiderstandes des Schaltelements 6 – die zwischen
den Klemmen für
das Versorgungspotential anliegende Versorgungsspannung getaktet
an die Last 7 angelegt und bewirkt einen Stromfluss durch
die Last. Das induktive Spei cherelement 72 nimmt bei einer über der
Last 7 anliegenden Versorgungsspannung, d. h. während der
Einschaltdauern des Schaltelements 6, elektrische Energie
auf, die während
jeweils nachfolgender Ausschaltdauern über das Freilaufelement 73 einen
weiterhin fließenden
Strom durch die Leuchtdioden 71, 7n bewirkt. Das
induktive Speicherelement 72 sorgt bei dieser Schaltungsanordnung
für eine
Glättung des
Stromverlaufs im Vergleich zu einer Lastanordnung, bei der kein
solches induktives Speicherelement vorhanden ist und bei der der
Laststrom mit Hilfe eines Begrenzungswiderstandes limitiert werden müsste, was
allerdings zu einer hohen Verlustleistung und damit zu einer Reduzierung
des Gesamtwirkungsgrades bei erhöhter
Wärmeentwicklung
führen würde.The basic operation of the illustrated power supply circuit 10 is briefly explained below:
The series connection of the load current path of the power supply circuit 10 and the load 7 is connected during operation of the power supply circuit between a terminal for a first supply potential Vs and a second supply potential or reference potential GND. In a clocked control of the switching element 6 ie, an alternating conductive drive of the switching element 6 each for a duty cycle and a blocking drive each for a turn-off is - assuming a negligible ON resistance of the switching element 6 - The voltage applied between the terminals for the supply potential supply voltage clocked to the load 7 created and causes a flow of current through the load. The inductive storage element 72 takes at one over the load 7 applied supply voltage, ie during the switch-on of the switching element 6 , Electrical energy, which during each subsequent off periods on the freewheeling element 73 a still flowing current through the LEDs 71 . 7n causes. The inductive storage element 72 provides in this circuit arrangement for a smoothing of the current profile in comparison to a load arrangement in which no such inductive storage element is present and in which the load current with the aid of a limiting resistor would have to be limited, but this leads to a high power loss and thus to a reduction of the overall efficiency would lead to increased heat development.
Ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Ansteuerschaltung 2 zur Erzeugung des getakteten
Ansteuersignals S2 für
das Schaltelement 6 ist in 2 dargestellt.
Zum besseren Verständnis
sind in 2 neben der Ansteuerschaltung 2 auch
das Schaltelement 6, das in diesem Beispiel als N-Kanal
Leistungs-MOSFET realisiert ist, und der Stromsensor 5, der
das Strommesssignal S5 erzeugt, dargestellt. Die Ansteuerschaltung 2 weist
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Flipflop 22 mit einem Setz-Eingang S und einem Rücksetzeingang
R auf, an dessen Setz-Eingang ein Taktgenerator 23, beispielsweise
ein Oszillator, angeschlossen ist, der ein Taktsignal S23 erzeugt
und der das Flipflop 22 im Takt dieses Taktsignals S23
setzt. Das Ansteuersignal S2 steht an einem nicht invertierendem
Ausgang Q des Flipflops 22 zur Verfügung, wobei optional zwischen das
Flipflop 22 und das Schaltelement 6 eine Treiberschaltung 21 geschaltet
ist, die dazu dient, einen Signalpegel des Ausgangssignals des Flipflops 22 auf einen
zur Ansteuerung des Schaltelements 6 geeigneten Signalpegel
umzusetzen. Das Schaltelement 6 wird bei dieser Ansteuerschaltung 2 bei
gesetztem Flipflop leitend angesteuert.A first embodiment of a drive circuit 2 for generating the clocked drive signal S2 for the switching element 6 is in 2 shown. For better understanding are in 2 next to the drive circuit 2 also the switching element 6 , which is realized in this example as an N-channel power MOSFET, and the current sensor 5 representing the current measurement signal S5. The drive circuit 2 has a flip-flop in the illustrated embodiment 22 with a set input S and a reset input R, at whose set input a clock generator 23 , For example, an oscillator is connected, which generates a clock signal S23 and the flip-flop 22 in time with this clock signal S23 sets. The drive signal S2 is connected to a non-inverting output Q of the flip-flop 22 available, with optional between the flip flop 22 and the switching element 6 a driver circuit 21 is connected, which serves to a signal level of the output signal of the flip-flop 22 to a for driving the switching element 6 implement appropriate signal level. The switching element 6 is at this drive circuit 2 activated when the flip-flop is set.
Ein
Rücksetzen
des Flipflops 22 und damit eine sperrende Ansteuerung des
Schaltelements 6 erfolgt bei der dargestellten Ansteuerschaltung
abhängig
von dem Strommesssignal S5 und dem Temperaturmesssignal S4. Ein
Komparator 24 vergleicht hierbei das Strommesssignal S5
mit dem Temperaturmesssignal S4 und setzt das Flipflop 22 jeweils
abhängig
von einem Vergleich dieser beiden Signale zurück. In dem Beispiel erfolgt
ein Zurücksetzen
des Flipflops 22 über
ein Komparatorausgangssignal S24 des Komparators 24 jeweils
dann, wenn das Strommesssignal S5 den Wert des Temperaturmesssignals S4
erreicht.A reset of the flip-flop 22 and thus a blocking control of the switching element 6 occurs in the illustrated drive circuit depending on the current measurement signal S5 and the temperature measurement signal S4. A comparator 24 in this case compares the current measurement signal S5 with the temperature measurement signal S4 and sets the flip-flop 22 each dependent on a comparison of these two signals. In the example, the flip-flop is reset 22 via a comparator output signal S24 of the comparator 24 in each case when the current measurement signal S5 reaches the value of the temperature measurement signal S4.
3 veranschaulicht
die Funktionsweise einer eine Ansteuerschaltung gemäß 2 aufweisenden
Stromversorgungsschaltung anhand zeitlicher Verläufe des Taktsignals S23, des
Strommesssignals S5 sowie des Temperaturmesssignals S4. Zu Zwecken
der Erläuterung
wird davon ausgegangen, dass sich die Stromversorgungsschaltung
im eingeschwungenen Zustand befindet, dass also bis zu den in 3 dargestellten
Signalverläufen
bereits einige Ansteuerzyklen, durch welche das Schaltelement 6 leitend
und sperrend angesteuert wurde, stattgefunden haben. Zu Zwecken
der Erläuterung
wird außerdem
davon ausgegangen, dass das Taktsignal S23 Taktimpulse im Abstand
einer Periodendauer T aufweist und dass das Flipflop 22 jeweils
mit einer steigenden Flanke dieser Taktimpulse gesetzt wird. Außerdem wird
für die
Darstellung in 3 angenommen, dass die Dauer
der Ansteuerzyklen so gewählt ist,
dass das induktive Speicherelement 72 der Last 7 im
eingeschwungenen Zustand der Systems während eines Ansteuerzyklus
nicht vollständig
abkommutiert. 3 illustrates the operation of a driving circuit according to 2 having power supply circuit based on time profiles of the clock signal S23, the current measurement signal S5 and the temperature measurement signal S4. For purposes of explanation, it is assumed that the power supply circuit is in the steady state, that is, up to the in 3 already shown some driving cycles through which the switching element 6 conductive and blocking was controlled, have taken place. For purposes of explanation, it is also assumed that the clock signal S23 has clock pulses at intervals of a period T and that the flip-flop 22 is set in each case with a rising edge of these clock pulses. Also, for illustration in 3 assume that the duration of the drive cycles is chosen so that the inductive storage element 72 the load 7 in the steady state of the system is not completely abkommutiert during a drive cycle.
Mit
Setzen des Flipflops 22, und damit bei leitender Ansteuerung
des Schaltelements 6, steigt der Strom im Schaltelement 6,
und damit das Strommesssignal S5 rampenförmig an, wobei die Steilheit dIL/dt
der ansteigenden Flanke des Stromverlaufs abhängig ist von der anliegenden
Versorgungsspannung und dem Induktivitätswert des induktiven Speicherelements 72.
Es gilt: dIL/dt = Vs/L, (2)wobei dIL/dt
die zeitliche Ableitung des Stromes IL repräsentiert.With setting the flip-flop 22 , and thus with conductive activation of the switching element 6 , the current in the switching element increases 6 , and thus the current measurement signal S5 in a ramp shape, wherein the slope dIL / dt the rising edge of the current waveform is dependent on the applied supply voltage and the inductance value of the inductive storage element 72 , The following applies: dIL / dt = Vs / L, (2) where dIL / dt represents the time derivative of the current IL.
Das
Flipflop 22 bleibt hierbei solange gesetzt und das Schaltelement 6 bleibt
entsprechend leitend angesteuert bis das ansteigende Strommesssignal S5
den Wert des Temperaturmesssignals S4 erreicht. Der den Laststrompfad
durchfließende
Laststrom IL weist bei dieser Stromversorgungsschaltung einen dreieckförmigen,
um einen Mittelwert ILm schwankenden Stromverlauf auf. Dieser Mittelwert
ist von dem Temperaturmesssignal S4 abhängig, das über den Komparator (24 in 2)
und das Strommesssignal S5 den Maximalwert des Laststromes IL nach oben
hin begrenzt. 3 zeigt die zeitlichen Verläufe des
Strommesssignals S5, des Ansteuersignals S2 sowie des Laststroms
IL für
zwei unterschiedliche Amplituden des Strommesssignals S4. Für die größere der
beiden Amplituden, für
die die Signalverläufe
im linken Teil der 3 dargestellt sind, nimmt der Mittelwert
ILm des Laststromes IL einen höheren Wert
als für
den kleineren Wert des Temperaturmesssignals S4 an, für den die
Signalverläufe
im rechten Teil der 3 dargestellt sind. Es sei darauf
hingewiesen, dass das Tastverhältnis
des Ansteuersignals S2 im eingeschwungenen Zustand der Stromversorgungsschaltung
für unterschiedliche
Mittelwerte des Laststromes gleich sein kann. Das Tastverhältnis des Steuersignals
S2 variiert bei der anhand von 3 dargestellten
festgetakteten Ansteuerung des Schaltelements jedoch zumindest während Übergangsphasen
des Temperaturmesssignals S4 von einem ersten Wert zu einem zweiten
Wert, das Tastverhältnis
ist damit wenigstens zeitweise von der Temperatur abhängig.The flip flop 22 remains set as long as this and the switching element 6 remains correspondingly conductive until the rising current measurement signal S5 reaches the value of the temperature measurement signal S4. In this power supply circuit, the load current IL flowing through the load current path has a triangular current course that fluctuates around an average value ILm. This average value depends on the temperature measurement signal S4 which is output via the comparator ( 24 in 2 ) and the current measurement signal S5 limits the maximum value of the load current IL upward. 3 shows the time profiles of the current measuring signal S5, the drive signal S2 and the load current IL for two different amplitudes of the current measurement signal S4. For the larger of the two amplitudes for which the waveforms in the left part of the 3 are shown, the average value ILm of the load current IL assumes a higher value than for the smaller value of the temperature measurement signal S4, for which the waveforms in the right part of the 3 are shown. It should be noted that the duty cycle of the drive signal S2 in the steady state of the power supply circuit may be the same for different average values of the load current. The duty cycle of the control signal S2 varies in the basis of 3 However, at least during transition phases of the temperature measurement signal S4 from a first value to a second value, the duty cycle is thus at least temporarily dependent on the temperature.
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Ansteuerschaltung 2 zur Erzeugung eines Ansteuersignals 92 ist
in 4 dargestellt. Anstelle eines Oszillators ist
bei dieser Ansteuer schaltung ein Zeitglied 25 vorgesehen,
das an den Setz-Eingang
des Flipflops 22 angeschlossen ist und dem das Komparatorausgangssignal
S24 zugeführt
ist. Dieses Zeitglied 25 bewirkt bei der in 4 dargestellten
Ansteuerschaltung eine fest vorgegebene Ausschaltdauer des Ansteuersignals
S2, indem das Zeitglied 25 das Flipflop 22 nach
Ablauf einer fest vorgegebenen Zeitdauer nach Vorliegen eines Rücksetzsignals
wieder setzt. Das Ausgangssignal S24 des Komparators 24 ist
bei dieser Ansteuerschaltung 2 sowohl dem Rücksetzeingang
R des Flipflops 22 als auch einem Eingang des Taktglieds 25 zugeführt. Das
Zeitglied 25 wird mit einer vorgegebenen Flanke des Komparatorausgangssignals
S24, beispielsweise einer steigenden Flanke, gestartet und erzeugt
nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer eine vorgegebene Flanke des
Zeitglied-Ausgangssignals
S25, beispielsweise eine steigende Flanke, zum Setzen des Flipflops 22.Another embodiment of a drive circuit 2 for generating a drive signal 92 is in 4 shown. Instead of an oscillator circuit is a timing element in this drive circuit 25 provided to the setting input of the flip-flop 22 is connected and the comparator output signal S24 is supplied. This timer 25 causes at the in 4 shown drive circuit a fixed predetermined turn-off duration of the drive signal S2 by the timer 25 the flip flop 22 after a fixed predetermined period of time after the presence of a reset signal sets again. The output signal S24 of the comparator 24 is in this drive circuit 2 both the reset input R of the flip-flop 22 as well as an input of the clock 25 fed. The timer 25 is started with a predetermined edge of the comparator output signal S24, for example, a rising edge, and generates after a predetermined period of time a predetermined edge of the timer output signal S25, for example a rising edge, for setting the flip-flop 22 ,
Das
Zeitglied 25 umfasst Bezug nehmend auf 5 beispielsweise
ein RC-Glied mit einem Widerstandselement 251 und einem
parallel zu dem Widerstandselement 251 geschalteten kapazitiven Speicherelement 252.
Dieses RC-Glied ist über
einen Schalter 257 an eine Klemme für ein Versorgungspotential
V+ angeschlossen. Bei leitend angesteuertem Schalter 257 wird
das kapazitive Speicherelement 252 dieses Zeitglieds 25 auf
den Wert des Versorgungspotentials V+ aufgeladen. Bei anschließend sperrendem
Schalter 257 entlädt
sich das kapazitive Speicherelement 252 über den
Widerstand 251. Ein Komparator 253 vergleicht
die über
dem kapazitiven Speicherelement 252 anliegende Spannung
mit einem durch eine Referenzspannungsquelle 254 vorgegebenen
Referenzwert und erzeugt das am Ausgang dieses Komparators 253 anliegende Ausgangssignal
S25 des Zeitglieds abhängig
von einem Vergleich der Referenzspannung mit der Spannung über dem
kapazitiven Speicherelement 252. Bei dem in 5 dargestellten
Zeitglied wird eine steigende Flanke des Ausgangssignals S25 erzeugt, wenn
bei geöffnetem
Schalter 257 die Spannung über dem kapazitiven Speicherelement 252 unter den
Wert der Referenzspannung abge sunken ist. Ein Öffnen des Schalters 257 erfolgt
bei diesem Zeitglied 25 abhängig von dem Ausgangssignal
S24 des das Strommesssignal S5 und das Temperaturmesssignal S4 vergleichenden
Komparators 24. Dieses Komparatorsignal S24 ist einem Rücksetzeingang
R eines Flipflops 255 zugeführt, das das Schaltelement 257 ansteuert.
Mit Rücksetzen
des Flipflops 255 durch dieses Komparatorsignal S24 wird
der Schalter 257 geöffnet,
was einem Beginn der durch das Zeitglied 25 vorgegebenen
Wartezeit entspricht. Das Ende der durch das Zeitglied 25 vorgegebenen
Wartezeit ist erreicht, wenn das kapazitive Speicherelement 252 über das
Widerstandselement 251 bis auf den Wert der Referenzspannung
entladen ist. Durch das hierbei am Ausgang des Komparators 253 anliegende Ausgangssignal
S25 wird das Flipflop 255 dann wieder gesetzt, um den Schalter 257 zu
schließen
und das kapazitive Speicherelement 252 bis zum Beginn der
nächsten
Wartezeit erneut aufzuladen. Optional kann hier bei einem Setzeingang
S des Flipflops 255 ein Verzögerungsglied 256 vorgeschaltet
sein, um ein stabiles Funktionsverhalten des Zeitglieds 25 zu erreichen.The timer 25 includes reference to FIG 5 For example, an RC element with a resistive element 251 and one parallel to the resistive element 251 switched capacitive storage element 252 , This RC element is over egg NEN switch 257 connected to a terminal for a supply potential V +. With conductive switch 257 becomes the capacitive storage element 252 this timer 25 charged to the value of the supply potential V +. With then blocking switch 257 the capacitive storage element discharges 252 about the resistance 251 , A comparator 253 compares the over the capacitive storage element 252 voltage applied to one by a reference voltage source 254 predetermined reference value and generates that at the output of this comparator 253 applied output signal S25 of the timer depending on a comparison of the reference voltage with the voltage across the capacitive storage element 252 , At the in 5 shown timer, a rising edge of the output signal S25 is generated when the switch is open 257 the voltage across the capacitive storage element 252 has fallen below the value of the reference voltage. An opening of the switch 257 takes place at this timer 25 depending on the output signal S24 of the current measuring signal S5 and the temperature measuring signal S4 comparing comparator 24 , This comparator signal S24 is a reset input R of a flip-flop 255 supplied, which is the switching element 257 controls. With reset of the flip-flop 255 by this comparator signal S24, the switch 257 open, indicating a beginning of the timer 25 predetermined waiting time corresponds. The end of the timer 25 predetermined waiting time is reached when the capacitive storage element 252 about the resistance element 251 is discharged to the value of the reference voltage. By doing this at the output of the comparator 253 applied output signal S25 becomes the flip-flop 255 then put back to the switch 257 close and the capacitive storage element 252 recharge until the next waiting time. Optionally, here at a set input S of the flip-flop 255 a delay element 256 upstream, to a stable functional behavior of the timer 25 to reach.
Die
Funktionsweise einer Stromversorgungsschaltung mit einer in 4 dargestellten
Ansteuerschaltung wird nachfolgend anhand von 6 erläutert. Dargestellt
ist in 6 beispielhaft ein zeitlicher Verlauf des Strommesssignals
S5 abhängig von
dem Temperaturmesssignal S4 für
zwei unterschiedliche Werte des Temperaturmesssignals S4. Die Regelung
der Laststromaufnahme erfolgt über das
Temperaturmesssignal S4, wobei das Schaltelement 6 jeweils
dann gesperrt wird, wenn das bei zunächst leitendem Schaltelement 6 rampenförmig ansteigende
Strommesssignal S5 den Wert S4 erreicht. Das Schaltelement bleibt
dann für
eine durch das Zeitglied 25 fest vorgegebene Ausschaltdauer
Toff ausgeschaltet und wird dann erneut für eine von dem fließenden Laststrom
IL und dem Temperaturmesssignal S4 abhängige Einschaltdauer Ton eingeschaltet. Das
Tastverhältnis
des Ansteuersignals S2 kann in eingeschwungenem Zustand der Stromversorgungsschaltung
für unterschiedliche
Werte des Temperaturmesssignals S4 jeweils gleiche Werte annehmen. Das
Tastverhältnis
ist jedoch grundsätzlich
von dem Temperaturmesssignal S4 abhängig und ändert sich beispielsweise bei
einer Änderung
des Temperaturmesssignals S4. So nimmt das Tastverhältnis bei
sinkendem Temperaturmesssignal S4 zunächst ab, bis sich der Laststrom
auf einen neuen, an das Temperaturmesssignal angepassten Signalwert
eingeregelt hat.The operation of a power supply circuit with an in 4 shown drive circuit is described below with reference to 6 explained. Is shown in 6 By way of example, a time profile of the current measuring signal S5 depends on the temperature measuring signal S4 for two different values of the temperature measuring signal S4. The regulation of the load current absorption takes place via the temperature measuring signal S4, wherein the switching element 6 is then locked, if that at first conductive switching element 6 ramped rising current measurement signal S5 reaches the value S4. The switching element then remains for a by the timer 25 fixed predetermined switch-off Toff off and is then turned on again for a dependent of the flowing load current IL and the temperature measurement signal S4 duty cycle Ton. In the steady state of the power supply circuit, the duty cycle of the drive signal S2 can assume identical values for different values of the temperature measurement signal S4. However, the duty cycle is fundamentally dependent on the temperature measurement signal S4 and changes, for example, with a change in the temperature measurement signal S4. Thus, the duty cycle initially decreases with decreasing temperature measurement signal S4 until the load current has adjusted to a new signal value adapted to the temperature measurement signal.
Abhängig davon,
wie das Temperaturmesssignal S4 in Abhängigkeit von der durch den
Temperatursensor 42 erfassten Umgebungstemperatur erzeugt
wird, kann bei der zuvor erläuterten
Stromversorgungsschaltung bei steigender Umgebungstemperatur entweder
eine Abnahme des Laststromes bzw. des Mittelwertes des Laststromes
oder eine Zunahme des Laststromes erreicht werden. Der Messwandler 41 kann
beispielsweise so realisiert sein, dass das Temperaturmesssignal
S4 mit steigender Umgebungstemperatur kleiner wird. In diesem Fall nimmt
der Laststrom bei Anwendung des zuvor erläuterten Regelprinzips bei steigender
Umgebungstemperatur ab, um dadurch die Leistungsaufnahme der Last
zu reduzieren und damit einem weiteren Ansteigen der Umgebungstemperatur
entgegen zu wirken.Depending on how the temperature measurement signal S4 as a function of by the temperature sensor 42 detected ambient temperature is generated, in the previously described power supply circuit with increasing ambient temperature, either a decrease in the load current or the average value of the load current or an increase in the load current can be achieved. The transducer 41 For example, it can be realized in such a way that the temperature measuring signal S4 becomes smaller with increasing ambient temperature. In this case, the load current decreases when using the previously explained control principle with increasing ambient temperature, thereby reducing the power consumption of the load and thus counteract a further increase in the ambient temperature.
Speziell
bei der Ansteuerung von Leuchtdioden kann es jedoch sinnvoll sein,
bei steigender Umgebungstemperatur den Laststrom IL zu erhöhen. Dem
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Lichtausbeute von Leuchtdioden
mit zunehmender Umgebungstemperatur abnimmt und dass dieser Verringerung
der Lichtausbeute durch eine Erhöhung des
die Leuchtdioden durchfließenden
Laststromes entgegengewirkt werden kann. Eine solche Erhöhung des
Laststromes bei steigender Umgebungstemperatur kann dadurch erreicht
werden, dass der Messwandler 41 so realisiert ist, dass
das Temperaturmesssignal S4 mit steigender durch den Sensor 42 erfasster
Umgebungstemperatur zunimmt.Especially in the control of LEDs, however, it may be useful to increase the load current IL with increasing ambient temperature. This is based on the finding that the light output of light-emitting diodes decreases with increasing ambient temperature and that this reduction in the light output can be counteracted by an increase in the load current flowing through the light-emitting diodes. Such an increase of the load current with increasing ambient temperature can be achieved by the fact that the transducer 41 is realized so that the temperature measurement signal S4 with rising through the sensor 42 detected ambient temperature increases.
Für den zuerst
erläuterten
Fall eines mit steigender Temperatur abnehmenden Temperaturmesssignals
S4 können
der Sensor 42 und der Messwandler 41 gemeinsam
durch einen NTC-Widerstand (NTC = Negative Temperature Coefficient)
realisiert werden, während
für den
zweiten Fall eines mit steigender Temperatur steigenden Temperaturmesssignals
S4 der Sensor 42 und der Messwandler 41 durch
einen PTC-Widerstand (PTC = Positive Temperature Coefficient) realisiert
werden können.
Derartige Sensoren sind grundsätzlich
bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann.For the first explained case of a rising temperature with decreasing temperature measurement signal S4, the sensor 42 and the transducer 41 be realized together by a NTC resistor (NTC = Negative Temperature Coefficient), while for the second case of a rising temperature with increasing temperature measurement signal S4 of the sensor 42 and the transducer 41 can be realized by a PTC resistor (PTC = Positive Temperature Coefficient). Such sensors are known in principle, so that it is possible to dispense with further explanations.
Darüber hinaus
sind auch komplexere Sensoren bzw. Sensoranordnungen einsetzbar,
beispielsweise Sensoren, die bis zu einer Schwellwerttemperatur
ein ansteigendes Messsignal und ab Temperaturen oberhalb des Schwellwerts
ein absinkendes Messsignal liefern. Die Steilheit des Messsignals
für Temperaturen
unterhalb des Schwellenwertes ist dabei vorzugsweise geringer als
die für
Temperaturen oberhalb des Schwellenwertes. Bei einer solchen Sensoranordnung
wird der Laststrom bei steigender Temperatur zunächst erhöht, um bei einer Leuchtdiode
als Last die bei steigender Temperatur abnehmende Lichtausbeute
zunächst
auszugleichen, und ab Erreichen eines Temperaturschwellenwertes
verringert, um eine Überhitzung
der Anordnung zu vermeiden.Furthermore
more complex sensors or sensor arrangements can also be used,
For example, sensors that are up to a threshold temperature
an increasing measuring signal and from temperatures above the threshold value
deliver a sinking measurement signal. The steepness of the measuring signal
for temperatures
below the threshold is preferably less than
the for
Temperatures above the threshold. In such a sensor arrangement
The load current is initially increased with increasing temperature to a light emitting diode
as load the decreasing light output as the temperature increases
first
to compensate, and from reaching a temperature threshold
reduced to overheating
to avoid the arrangement.
Ein
Realisierungsbeispiel für
eine solche Sensoranordnung ist in 8 dargestellt. 9B zeigt
ein Ausgangssignal S4 dieser Sensoranordnung 4 abhängig von
der Temperatur T.An implementation example of such a sensor arrangement is in 8th shown. 9B shows an output signal S4 of this sensor arrangement 4 depending on the temperature T.
Die
dargestellte Sensoranordnung 4 weist eine Diode als Temperatursensor 42 auf,
die in Reihe zu einer ersten Stromquelle 411 zwischen eine
Klemme für
ein Versorgungspotential Vcc des Sensors 4 und eine Klemme
für ein
Bezugspotential geschaltet ist. Die Stromquelle 411 liefert
einen konstanten Strom Ibias1, der an der in Flussrichtung gepolten
Diode 42 einen Spannungsabfall Vtemp hervorruft. Dieser
Spannungsabfall Vtemp ist aufgrund der physikalischen Eigenschaften
einer Diode temperaturabhängig
und liefert damit ein Maß für die Umgebungstemperatur
im Bereich der Diode 42. Die Temperaturspannung Vtemp nimmt
bezugnehmend auf 9A, in der die Temperaturspannung
Vtemp über
der Temperatur T aufgetragen ist, mit steigender Temperatur ab.
Innerhalb eines für
den Betrieb von Leuchtdioden interessanten Temperaturbereichs, der
beispielsweise zwischen –40°C und 175°C liegt,
kann die Abhängigkeit
der Temperaturspannung Vtemp von der Temperatur T als annähernd linear
angesehen werden.The illustrated sensor arrangement 4 has a diode as a temperature sensor 42 on, in series with a first power source 411 between a terminal for a supply potential Vcc of the sensor 4 and a terminal is connected for a reference potential. The power source 411 provides a constant current Ibias1, which is at the forward-biased diode 42 causes a voltage drop Vtemp. This voltage drop Vtemp is temperature-dependent due to the physical properties of a diode and thus provides a measure of the ambient temperature in the region of the diode 42 , The temperature voltage Vtemp is referred to 9A , in which the temperature voltage Vtemp is plotted against the temperature T, decreases with increasing temperature. Within a temperature range of interest for the operation of light-emitting diodes, for example between -40 ° C. and 175 ° C., the dependence of the temperature voltage Vtemp on the temperature T can be regarded as approximately linear.
Die
Auswerteschaltung 41 der Sensoranordnung weist zur Auswertung
der Temperaturspannung Vtemp zwei Differenzverstärker 413, 414 auf,
von denen ein erster Differenzverstärker 413 ein erstes
Differenzsignal V413 erzeugt, das von einer Differenz zwischen einer
ersten Referenzspannung Vptc, die durch eine erste Referenzspannungsquelle 417 zur Verfügung gestellt
wird, und der Temperaturspannung Vtemp abhängig ist. Ein zweiter 414 der
Differenzverstärker
liefert ein zweites Differenzsignal V414, das von einer Differenz
zwischen einer zweiten Referenzspannung Vntc, die durch eine zweite
Referenzspannungsquelle 418 zur Verfügung gestellt wird, und der
Temperaturspannung Vtemp abhängig ist.
Die beiden Differenzverstärker 413, 414 sind
so mit der Diode 42 und den Referenzspannungsquellen 417, 418 verschaltet,
dass das erste Differenzsignal V413 mit steigender Temperatur zunimmt,
während
das zweite Differenzsignal V414 mit steigender Temperatur T abnimmt.
Dem ersten Differenzverstärker 413 sind
das Temperatursignal Vtemp hierzu an seinem invertierenden Eingang
und die erste Referenzspannung Vptc an seinem nichtinvertierenden Eingang
zugeführt,
und dem zweiten Differenzverstärker 414 sind
das Temperatursignal Vtemp hierzu an seinem nicht-invertierenden
Eingang und die zweite Referenzspannung Vntc an seinem invertierenden
Eingang zugeführt.The evaluation circuit 41 The sensor arrangement has two differential amplifiers for evaluating the temperature voltage Vtemp 413 . 414 on, of which a first differential amplifier 413 a first difference signal V413 generated by a difference between a first reference voltage Vptc, by a first reference voltage source 417 is provided, and the temperature voltage Vtemp is dependent. A second 414 the differential amplifier supplies a second difference signal V414, which is a difference between a second reference voltage Vntc, which is supplied by a second reference voltage source 418 is provided, and the temperature voltage Vtemp is dependent. The two differential amplifiers 413 . 414 are like that with the diode 42 and the reference voltage sources 417 . 418 interconnects that the first difference signal V413 increases with increasing temperature, while the second difference signal V414 decreases with increasing temperature T. The first differential amplifier 413 For this purpose, the temperature signal Vtemp are supplied at its inverting input and the first reference voltage Vptc at its noninverting input, and the second differential amplifier 414 For this purpose, the temperature signal Vtemp are supplied at its non-inverting input and the second reference voltage Vntc at its inverting input.
Die
Differenzverstärker
sind so realisiert, dass deren Differenzspannungen bei einer Spannungsdifferenz
von Null an deren Eingängen
einer Offsetspannung größer als
Null entsprechen, wobei diese Offsetspannung beispielsweise dem
Offset der Eingangsspannungen entspricht. Für Vtemp = Vptc gilt dann: V413
= Vptc. Entsprechend gilt für
Vtemp = Vntc: V414 = Vntc. Die Differenzspannungen V413, V414 sind
unter dieser Annahme schematisch in 9A dargestellt,
wobei anzumerken ist, dass die Steigungen der Kurvenverläufe der
Differenzspannungen V413, V414 und die Steigung des Kurvenverlaufs
der Temperaturspannung Vtemp nicht maßstabsgerecht dargestellt sind.The differential amplifiers are realized in such a way that their differential voltages at a voltage difference of zero at their inputs correspond to an offset voltage greater than zero, this offset voltage corresponding, for example, to the offset of the input voltages. For Vtemp = Vptc then: V413 = Vptc. Similarly, for Vtemp = Vntc: V414 = Vntc. The differential voltages V413, V414 are schematically shown in FIG 9A It should be noted that the gradients of the curves of the differential voltages V413, V414 and the slope of the curve of the temperature voltage Vtemp are not shown to scale.
Die
Ausgänge
der Differenzverstärker 413, 414 sind über in Sperrrichtung
geschaltete Dioden 415, 416 an den Ausgang der
Sensoranordnung 4, an der das Sensorsignal S4 zur Verfügung steht
angeschlossen. Zwischen diesen Ausgang und die Klemme für das Versorgungspotential
Vcc ist außerdem
eine zweite Stromquelle 412 geschaltet, die als Last für die Ausgänge der
Differenzverstärker 413, 414 dient.
Die Dioden 415, 416 stellen sicher, dass die jeweils
kleinere der Differenzspannungen V413, V414 zuzüglich einer Flussspannung der
Diode 415, 416 als Temperaturmesssignal ausgegeben
wird.The outputs of the differential amplifiers 413 . 414 are reverse-biased diodes 415 . 416 to the output of the sensor arrangement 4 to which the sensor signal S4 is available connected. Between this output and the terminal for the supply potential Vcc is also a second power source 412 connected as a load to the outputs of the differential amplifier 413 . 414 serves. The diodes 415 . 416 Make sure that the smaller of the differential voltages V413, V414 plus a forward voltage of the diode 415 . 416 is output as a temperature measuring signal.
Die
Funktionsweise dieser in 8 dargestellten Sensoranordnung
wird anhand des in 9B dargestellten Verlaufs des
Sensorsignal S4 über
der Temperatur deutlich, wobei das Sensorsignal S4 in bereits erläuterter
Weise proportional zu dem Laststrom IL ist, so dass die in 9B dargestellte
Kurve auch die Abhängigkeit
des Laststroms IL von der Temperatur T wiedergibt. Bei der dargestellten
Sensoranordnung ist die erste Referenzspannung Vptc größer als
die zweite Referenzspannung. Ausgehend von kleinen Temperaturwerten
ist damit die erste Differenzspannung V413 zunächst kleiner als die zweite
Differenzspannung, so dass die ansteigende erste Differenzspannung
V413 das Temperaturmesssignal dominiert.The functioning of this in 8th shown sensor arrangement is based on the in 9B illustrated course of the sensor signal S4 over the temperature significantly, wherein the sensor signal S4 in the manner already explained is proportional to the load current IL, so that the in 9B also shows the dependency of the load current IL on the temperature T. In the illustrated sensor arrangement, the first reference voltage Vptc is greater than the second reference voltage. Starting from small temperature values, the first differential voltage V413 is thus initially smaller than the second differential voltage, so that the rising first differential voltage V413 dominates the temperature measurement signal.
T0 bezeichnet in 9 eine
Schwellenwert der Temperatur T, bei der die mit steigender Temperatur
abfallende Kurve der zweiten Differenzspannung V414 die Kurve der
mit steigender Temperatur ansteigenden zweiten Differenzspannung
schneidet. Ab dieser Temperatur dominiert die fallende zweite Differenzspannung
V414 den Verlauf des Temperatursignals S4. Verstärkungen k1 und k2 des ersten und
zweiten Verstärkers 413, 414 sind
bei der dargestellten Sensoranordnung so gewählt, dass k1 < k2 gilt. Die Steilheit
des für
Temperaturen kleiner als T0 ansteigenden
Temperatursignals S4 bzw. des Laststroms ist damit geringer als
die Steilheit des für
Temperaturen größer als
T0 abfallenden Temperatursignals S4 bzw.
des Laststroms, um bei einem Übersteigen
des Schwellenwertes ein rasches Herunterregeln des Laststroms zum
Schutz vor Übertemperaturen
zu erreichen.T 0 denotes in 9 a threshold value of the temperature T at which the temperature-decreasing curve of the second differential voltage V414 curves with increasing temperature increasing second differential voltage intersects. From this temperature, the falling second differential voltage V414 dominates the course of the temperature signal S4. Gains k1 and k2 of the first and second amplifiers 413 . 414 are selected in the illustrated sensor arrangement so that k1 <k2 applies. The steepness of the rising temperature for temperatures less than T 0 temperature signal S4 or the load current is thus less than the slope of the temperature greater than T 0 falling temperature signal S4 or the load current to a rapid lowering of the load current for protection when exceeding the threshold value to achieve over-temperature.
Der
Schwellenwert T0 bzw. eine diesem Schwellenwert über die
Temperaturkurve der Diode 42 zugeordnete Schwellenspannung
Vtemp0 ist abhängig von den ersten und zweiten
Referenzspannungen Vptc, Vntc und den Verstärkungsfaktoren der Differenzverstärker. Im
Schnittpunkt der Kurvenverläufe
der ersten und zweiten Differenzspannungen gilt: V413 = V414 (3) The threshold value T 0 or a threshold value over the temperature curve of the diode 42 associated threshold voltage Vtemp 0 is dependent on the first and second reference voltages Vptc, Vntc and the gain factors of the differential amplifiers. At the intersection of the curves of the first and second differential voltages, the following applies: V413 = V414 (3)
Unter
Berücksichtigung
von V413 = Vptc + k1(Vptc – Vtemp) (4a) V414 = Vntc + k2(Vtemp – Vntc) (4b)folgt aus
Gleichung (1) für
die Schwellenspannung Vtemp0: Vtemp0 = [(1 + k1)·Vptc +
(k2 – 1)·Vntc]/(k1
+ k2) (5). Taking into account V413 = Vptc + k1 (Vptc-Vtemp) (4a) V414 = Vntc + k2 (Vtemp - Vntc) (4b) follows from equation (1) for the threshold voltage Vtemp 0 : Vtemp 0 = [(1 + k1) * Vptc + (k2 - 1) * Vntc] / (k1 + k2) (5).
Der
Temperaturschwellenwert T0 ergibt aus dieser
Spannung Vtemp0 anhand des Verlaufs der Temperaturspannung
Vtemp.The temperature threshold T 0 results from this voltage Vtemp 0 based on the course of the temperature voltage Vtemp.
Optional
besteht die Möglichkeit,
die Verstärkung
des zweiten Differenzverstärkers 414 sehr
viel größer als
Eins und sehr viel größer die
des ersten Differenzverstärkers 413 zu
wählen,
so dass das Temperaturmesssignal S4 bei Erreichen des Schwellenwertes
T0 sehr steil absinkt, was in 9B gestrichelt
dargestellt ist. Der zweite Differenzverstärker 414 besitzt in
diesem Fall ein Hystereseverhalten, so dass das Temperaturmesssignal
S4 bei Absinken der Temperatur auf einen weiteren Schwellenwert
T0' wieder
steil auf einen durch den ersten Operationsverstärker 413 vorgegebenen
Wert ansteigt. Die Schwellenspannung entspricht in diesem Fall der zweiten
Referenzspannung und der Temperatur-Schwellenwert T0 entspricht
einer Referenztemperatur Tntc, bei der die Temperaturspannung Vtemp der
zweiten Referenzspannung Vntc entspricht.Optionally, there is the possibility of the gain of the second differential amplifier 414 much larger than one and much larger than the first differential amplifier 413 to be selected so that the temperature measurement signal S4 drops very steeply when the threshold value T 0 is reached, which results in 9B is shown in dashed lines. The second differential amplifier 414 has in this case a hysteresis, so that the temperature measurement signal S4 when the temperature drops to a further threshold T 0 'again steeply to a through the first operational amplifier 413 predetermined value increases. The threshold voltage in this case corresponds to the second reference voltage, and the temperature threshold T 0 corresponds to a reference temperature Tntc at which the temperature voltage Vtemp corresponds to the second reference voltage Vntc.
7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung.
Diese Stromversorgungsschaltung unterscheidet sich von der in 2 dargestellten
durch das Vorhandensein einer Freigabeschaltung 8, der über einen
Eingang 14 ein Freigabesignal EN zuführbar ist. Diese Freigabeschaltung 8 ist
beispielsweise über
einen weiteren Anschluss 15 an die Klemme für das Versorgungspotential
VS angeschlossen und ist dazu ausgebildet, abhängig von dem Freigabesignal EN
die Spannungs- bzw. Stromversorgung der übrigen Schaltungskomponenten
der Stromversorgungsschaltung 10, insbesondere der Ansteuerschaltung 2 und
des Temperatursensors 4 zu gewährleisten. Das Freigabesignal
EN ist beispielsweise ein zweiwertiges Signal. Die Freigabeschaltung 8 ist
beispielsweise derart ausgebildet, dass sie bei einem ersten Signalpegel
des Freigabesignals EN eine Spannungsversorgung für die Schaltungskomponenten
der Stromversorgungsschaltung 10 zur Verfügung stellt, um
den zuvor erläuterten
getakteten Betrieb des Schaltelements 6 sicherzustellen.
Bei einem zweiten Signalpegel des Freigabesignals EN unterbricht
die Freigabeschaltung 8 die Spannungsversorgung der Schaltungskomponenten
der Stromversorgungsschaltung 10, wodurch das Schaltelement 6 über die Ansteuerschaltung 2 nicht
mehr leitend angesteuert werden kann und daher für die Zeitdauer, während der
dieser zweite Signalpegel des Freigabesignals EN vorliegt, sperrt. 7 shows a further embodiment of a power supply circuit according to the invention. This power supply circuit differs from that in 2 represented by the presence of an enable circuit 8th that has an entrance 14 a release signal EN can be fed. This release circuit 8th is, for example, via another connection 15 connected to the terminal for the supply potential VS and is adapted to the voltage or power supply of the remaining circuit components of the power supply circuit, depending on the enable signal EN 10 , in particular the drive circuit 2 and the temperature sensor 4 to ensure. The enable signal EN is, for example, a two-valued signal. The release circuit 8th is for example designed such that, at a first signal level of the enable signal EN, it supplies a voltage supply for the circuit components of the power supply circuit 10 provides to the above-mentioned clocked operation of the switching element 6 sure. At a second signal level of the enable signal EN, the enable circuit interrupts 8th the power supply of the circuit components of the power supply circuit 10 , whereby the switching element 6 via the drive circuit 2 can no longer be controlled to conduct and therefore for the period during which this second signal level of the enable signal EN is present blocks.
Über das
Freigabesignal kann die Stromversorgungsschaltung durch einen Mikrocontroller
(μC) oder
ein anderes Niedervolt- bzw.
Nicht-Leistungsbauelement ein- oder ausgeschaltet werden. In nicht näher dargestellter
Weise besteht insbesondere die Möglichkeit,
mehrere der dargestellten Stromversorgungsschaltungen vorzusehen,
die durch eine Steuerschaltung über
die Freigabeeingänge
zeitgleich oder zeitversetzt zueinander aktiviert oder deaktiviert werden.About the
Enable signal may be the power supply circuit through a microcontroller
(μC) or
another low-voltage or
Non-power device can be turned on or off. In not shown
Way there is in particular the possibility
to provide a plurality of the illustrated power supply circuits,
which is controlled by a control circuit
the release inputs
be activated or deactivated at the same time or with a time delay.
Der
getakteten Ansteuerung des Schaltelements 6 kann bei der
in 7 dargestellten Stromversorgungsschaltung 10 ein
getaktetes Ein- und Ausschalten der Stromversorgungsschaltung 10 über das
Freigabesignal EN überlagert
werden. Als Freigabesignal wird hierbei ein pulsweitenmoduliertes
Signal angelegt, dessen Impulsdauer größer ist als die Dauer eines
Ansteuerzyklus des Schaltelements 6. Bei Ansteuerung von
Leuchtdioden lässt sich
durch diese "übergeordnete" pulsweitenmodulierte
Aktivierung der Stromversorgungsschaltung 10 beispielsweise
eine vom menschlichen Auge wahrgenommene Helligkeit der Leuchtdioden
einstellen. Während
einer Ausschaltphase der Stromversorgungsschaltung, während der
der Laststrom absinkt, nimmt hierbei die Helligkeit der Leuchtdioden
ab, während
sie bei einer nachfolgenden Einschaltphase wieder zunimmt. Ist die
Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals ausreichend hoch gewählt, so
wird vom menschlichen Auge dieser Wechsel zwischen Hell-Phasen und
Dunkel-Phasen der Leuchtdioden als gleichmäßiges Leuchten wahrgenommen,
dessen Leuchtintensität
umso geringer ist, je länger
die Dunkelphasen sind.The clocked control of the switching element 6 can at the in 7 illustrated power supply circuit 10 a clocked switching on and off of the power supply circuit 10 be superimposed on the enable signal EN. In this case, a pulse-width-modulated signal whose pulse duration is greater than the duration of a drive cycle of the switching element is applied as an enable signal 6 , When controlling light-emitting diodes, this "higher-level" pulse-width-modulated activation of the power supply circuit can be achieved 10 For example, set a perceived by the human eye brightness of the LEDs. During a turn-off phase of the power supply circuit during which the load current drops, in this case the brightness of the light-emitting diodes decreases, while it increases again during a subsequent switch-on phase. If the frequency of the pulse width modulated signal is chosen to be sufficiently high, then perceived by the human eye, this change between light phases and dark phases of the light-emitting diodes as a uniform illumination, the luminous intensity is the lower, the longer the dark phases are.
Bezug
nehmend auf 10 können die Stromversorgungsschaltung 10 und
die durch die Stromversorgungsschaltung 10 angesteuerte
Last auf einem gemeinsamen Träger 100 angeordnet sein. 10A zeigt diesen Träger in Seitenansicht im Querschnitt. 10B zeigt eine Draufsicht auf den Träger. Der
Träger
kann beispielsweise als herkömmliche
Platine (PCB) realisiert sein, auf die Leiterbahnen (nicht dargestellt)
zur Verschaltung der einzelnen Komponenten aufgebracht sind. Die Stromversorgungsschaltung 10 ist
beispielsweise als in tegrierte Schaltung realisiert, die eine Anzahl
externer Anschlüsse
(nicht dargestellt) zur Gewährleistung
einer Spannungsversorgung und zum Anschließen der Last aufweist. Für die Darstellung
in 10 wird angenommen, dass die Last
zwei Leuchtdioden 71, 7n aufweist, die in 10 lediglich schematisch als Blöcke dargestellt
sind. Zur besseren Wärmeableitung
bzw. zur gleichmäßigen Wärmeverteilung
auf der Platine sind die beiden Leuchtdioden 71, 7n in
lateraler Richtung beabstandet zueinander auf der Platine 100 angeordnet,
wobei die Stromversorgungsschaltung 10 hierbei zwischen
den Leuchtdioden 71, 7n angeordnet ist. Die Bezugszeichen 72 und 74 in 10 bezeichnen die Blöcke bzw. Positionen des induktiven
Speicherelements, und des optional vorhandenen Pufferkondensators.
Der gestrichelt dargestellte und mit dem Bezugszeichen 73 versehene Schaltungsblock
repräsentiert
das Freilaufelement bei einer Realisierung, bei der das Freilaufelement als
separates Bauelement außerhalb
der Ansteuerschaltung 10 realisiert ist. Alternativ kann
dieses Freilaufelement in bereits erläuterter Weise in der Ansteuerschaltung
integriert sein.Referring to 10 can the power supply circuit 10 and by the power supply circuit 10 controlled load on a common carrier 100 be arranged. 10A shows this carrier in side view in cross section. 10B shows a plan view of the carrier. The carrier can be realized, for example, as a conventional printed circuit board (PCB), are applied to the interconnects (not shown) for interconnecting the individual components. The power supply circuit 10 is realized, for example, as a integrated circuit having a number of external terminals (not shown) for ensuring a power supply and connecting the load. For the representation in 10 It is assumed that the load is two light emitting diodes 71 . 7n which has in 10 only schematically shown as blocks. For better heat dissipation or for uniform heat distribution on the board, the two LEDs 71 . 7n spaced apart in the lateral direction on the board 100 arranged, wherein the power supply circuit 10 in this case between the LEDs 71 . 7n is arranged. The reference numerals 72 and 74 in 10 denote the blocks or positions of the inductive storage element, and the optionally present buffer capacitor. The dashed lines and the reference numeral 73 provided circuit block represents the freewheeling element in a realization in which the freewheeling element as a separate component outside the drive circuit 10 is realized. Alternatively, this freewheeling element can be integrated in the drive circuit already explained.
Die
Platine 100 der in 10 dargestellten Anordnung
kann als Wärmeleiter
von den die Wärme erzeugenden
Leuchtdioden 71, 7n zu dem Temperatursensor (42 in 1)
genutzt werden. Der Temperatursensor kann somit beabstandet zu den
Wärmequellen 71, 7n angeordnet
sein und kann insbesondere in der integrierten Schaltung der Stromversorgungsschaltung 10 integriert
sein. Es besteht auch die Möglichkeit,
den Temperatursensor 42 als "externes" Bauelement der Stromversorgungsschaltung 10 zu
realisieren, wie dies in 10 gestrichelt
dargestellt ist. Bei zwei beabstandet zueinander angeordneten Leuchtdioden
ist das Vorsehen eines Temperatursensors im Bereich einer Leuchtdiode
ausreichend, sofern die Leuchtdioden 71, 7n so
realisiert sind, dass von einer gleichen Wärmeentwicklung bei gleichem
Laststrom ausgegangen werden kann.The board 100 the in 10 The arrangement shown can be used as a heat conductor of the heat generating LEDs 71 . 7n to the temperature sensor ( 42 in 1 ) be used. The temperature sensor can thus be spaced from the heat sources 71 . 7n can be arranged and in particular in the integrated circuit of the power supply circuit 10 be integrated. There is also the option of the temperature sensor 42 as an "external" component of the power supply circuit 10 to realize how this is in 10 is shown in dashed lines. In the case of two light-emitting diodes arranged at a distance from one another, the provision of a temperature sensor in the region of a light-emitting diode is sufficient, provided that the light-emitting diodes 71 . 7n are realized so that it can be assumed that the same heat development at the same load current.
