DE102007003343A1 - System und Verfahren zum Betreiben einer LED mit Konstantstrom und mit einer Redundanzschaltung - Google Patents

System und Verfahren zum Betreiben einer LED mit Konstantstrom und mit einer Redundanzschaltung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Leuchtdiode (LED) für eine konstante Lichtleistung mit den folgenden Schritten: a) Aufbau einer Gleichspannung V<SUB>LED_DC</SUB> aus einer Gleichspannungsquelle (110), b) Vorsehen eines LED-Satzes (120) zur Erzeugung eines LED-Stroms I<SUB>LED</SUB> zum Leuchten der LED, wobei der LED-Strom gesteuert wird, und c) Vorsehen eines Konstantspannungs- und Konstantstromreglers (130) zur Klemmung des LED-Spannungsdifferenzials und des Stromes auch unter widrigen Umständen, wie Spannungsspitzen, Spannungs- und Stromwellen, Umgebungstemperaturerhöhung oder anderer Faktoren zur Änderung der Luminanzcharakter (I-V-Kurve).

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Betreiben einer LED-Diode, und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Betreiben einer LED mit konstanter Leistung, wobei die LED mehrfach vorhanden sein kann und keine besondere Behandlung zur Ausbildung einer gleichmäßigen Luminanzeigenschaft erfordert.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine LED ist bei einem Halbleiter ein p-n-Übergang. Bei Durchlassbetrieb werden Photonen aus einer Rekombination eines Lochelektronenpaares am p-n-Übergang erzeugt. Die Erzeugungsrate der Photonenzahl ist proportional dem Durchlassstrom durch den p-n-Übergang. Es ist zu beachten, dass bei größerem Durchlassstrom sich eine höhere Emissionsintensität ergibt. Üblicherweise sind der Betrieb mit konstanter Spannung (10A), konstantem Strom (10B) und Wechselstrom (10C) die Arten, um einen Konstantstrom zur LED-Beleuchtung zu erzeugen. Beim Betrieb mit konstanter Spannung reagiert der LED-Strom abhängig vom Widerstand 91 sehr empfindlich auf die Gleichspannungsquelle aufgrund der Nicht-Linearität der LED-Strom-zu-Spannung (I-V)-Kurve. Daneben ändert ein Anstieg der Umgebungstemperatur aufgrund der Wärme der LED-Abstrahlung ebenfalls die I-V-Kurve. Wenn der übliche Betrieb mit konventioneller konstanter Spannung gewünscht wird, um LED-Helligkeit mit konstanter Leistung zu erreichen, sind eine sehr stabile Gleichspannungsquelle und ein LED-Kühlungssystem erforderlich. Beim Betrieb mit konstantem Strom wird eine Stromquelle 92 in Reihe geschaltet, um einen konstanten LED-Strom zuzuführen. Obgleich die Stromquelle einen stabileren LED-Strom für eine Beleuchtung mit konstanter Leistung zuführen kann, ist die LED für periphere Konditionsänderungen (z. B. Änderung der I-V-Kurve) ebenfalls nicht robust. Ein Betrieb mit Wechselstrom, welcher eine Wechselstromquelle und eine Diode in Reihe enthält, wird parallel zu einer LED für elektrische Haushaltsverwendung kombiniert. Um die wellenförmige Gleichrichtungsspannung zu vergleichmäßigen, wird eine Kapazität parallel zur LED geschaltet. Beim Betrieb mit konventioneller Wechselspannung ist die LED daher abhängig von der Haushaltsstromversorgung.
  • In den letzten Jahren führten die sich entwickelnden Technologien zu höherer Luminanz und Mehrfarbigkeit von LED's zu Anwendungen in unterschiedlichen Feldern, wie Lichtquellen, Führungslampen, LED-Rücklichtern, Signallampen, Displayfeldern, usw. In naher Zukunft könnten LED's die hauptsächliche Lichtquelle anstelle traditioneller Kompaktfluoresenzlampen (CFL) werden. Um die LED-Helligkeit in fortschrittlichen Anwendungen besser zu steuern, ist ein fortschrittlicher LED-Treiber erforderlich, der die Erfordernisse der Schaltungsminiaturisierung, der hohen Stabilität, der hohen Wirksamkeit, des Antriebs mehrfacher LED's und der Ausdehnung der Batterielebensdauer besonders erfüllt. Bei üblichen Treibersystemen kann der LED-Strom nicht gut gesteuert werden, um Spannungsspitzen und Welligkeit zu widerstehen. Das schlechteste ist, dass der Luminanzcharakter (I-V-Kurve) eine weite Streuung in der Massenproduktion erfährt. Eine präzise LED-Luminanzkontrolle durch Verwendung eines individuellen Treibers für jede LED ist eine bevorzugte Lösung. Dies kostet jedoch mehr und überflüssigen Chipraum. Daher ist ein fortschrittlicher, robuster und ökonomischer LED-Treiber zur fortschrittlichen Luminanzsteuerung dringend erforderlich.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der hauptsächliche Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein System und ein Verfahren zum Betreiben einer LED mit konstanter Leistung anzugeben, bei dem ein Regler für eine konstante Spannung und einen konstanten Strom zur präzisen Steuerung der Luminanzleistung verwendet wird. Mit Reglern für konstante Spannung und konstanten Strom und einer Gleichspannungsquelle ist es bequemer, Haushaltsspannung zum Treiben der LED-Luminanz zu verwenden. Ferner kann der Konstantspannungs- und Konstantstromregler sowohl die LED-Spannung als auch den LED-Strom begrenzen, und daher ist die vorliegende Erfindung eine robuste und ökonomische Betriebsmethode für LED's und sogar für ein System mit einer Mehrfach-LED-Luminanzsteuerung.
  • Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Redundanzschaltung vorzusehen, um diese mit einem LED-Satz zu kombinieren, um eine LED-Stromumleitung zu erzielen, um die LED-Luminanz auch bei Schädigung seiner LED zu erhalten.
  • Um diese Zwecke zu erreichen, wird ein Betriebsverfahren für eine LED zur Erzielung einer konstanten Luminanzleistung gemäß der vorliegenden Erfindung angegeben, die Folgendes umfasst: Anlegen einer Gleichspannung VLED_DC aus einer Gleichspannungsquelle 110 an den LED-Satz 120, um einen LED-Strom ILED für die LED-Luminanz zu erzeugen, wobei der LED-Strom durch einen Konstantspannungs- und Konstantstromregler 130 für eine LED-Spannungsdifferenz- und eine Strombegrenzung auch in schwierigen Situationen wie Spannungsspitzen, Spannungs- und Stromwellen, Anstieg der Umgebungstemperatur oder anderer Faktoren der Änderung des Luminanzcharakters (I-V-Kurve) zu erreichen.
  • Ein LED-Treibersystem für eine konstante Luminanzleistung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: eine Gleichspannungsquelle 110 für eine Gleichspannung VLED_DC, einen LED-Satz 120, der mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, um einen LED-Strom ILED zu erzeugen und einem Konstantspannungs- und Konstantstromregler 130, der mit dem LED-Satz verbunden ist, um eine LED-Spannungsdifferenz- und eine Stromklemmung auch unter schwierigen Situationen, wie Spannungsspitzen, Spannungs- und Stromwellen, ansteigender Umgebungstemperatur oder anderer Faktoren, die den Luminanzcharakter (I-V-Kurve) ändern, zu erreichen.
  • Eine Redundanzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Umleitung für den LED-Strom und eine Redundanzsteuerung, die mit dem LED-Satz kombiniert ist, um die LED-Luminanz ohne Auswirkung von LED-Schäden zu erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung ergibt sich weiter nach dem Lesen der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt das Prinzip des LED-Treiberverfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt einen Prozess des Betriebs der Konstantstromschaltung der LED nach der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine erste Ausführungsform des LED-Antriebssystems der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 4 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine zweite Ausführungsform des LED-Betriebs der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform einer Stromquelle des LED-Antriebssystems der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6A ist ein Schaltungsdiagramm, das eine erste Ausführungsform einer Stromsenke des LED-Antriebssystems der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6B ist ein Schaltungsdiagramm, das eine zweite Ausführungsform der Stromsenke des LED-Antriebssystems der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6C ist ein Schaltungsdiagramm, das eine dritte Ausführungsform der Stromsenke des LED-Antriebssystems der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7A ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform des LED-Treibersystems zeigt, das Vollwellengleichrichter bei der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7B ist ein Schaltungsdiagramm, das eine erste Ausführungsform des Vollwellengleichrichters der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7C ist ein Schaltungsdiagramm, das eine zweite Ausführungsform des Vollwellengleichrichters der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7D ist ein Schaltungsdiagramm, das eine dritte Ausführungsform des Vollwellengleichrichters der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7E ist ein Schaltungsdiagramm, das eine vierte Ausführungsform des Vollwellengleichrichters der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8A ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform des LED-Treibersystems mit einem Halbwellengleichrichter der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8B ist ein Schaltungsdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines Halbwellengleichrichters der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8C ist ein Schaltungsdiagramm, das eine zweite Ausführungsform eines Halbwellengleichrichters der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8D ist ein Schaltungsdiagramm, das eine dritte Ausführungsform des Halbwellengleichrichters der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9A ist ein Schaltungsdiagramm, das ein LED-Treibersystem mit einer Redundanzschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9B zeigt die I-V-Kurve eines siliziumgesteuerten Gleichrichters (SCR).
  • 9C ist ein Schaltungsdiagramm, das eine erste Ausführungsform einer Umleitungsschaltung für eine Redundanzschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9D ist ein Schaltungsdiagramm, das eine zweite Ausführungsform einer Umwegschaltung der Redundanzschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9E ist ein Schaltungsdiagramm, das eine dritte Ausführungsform der Umwegschaltung der Redundanzschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9F ist ein Schaltungsdiagramm, das eine vierte Ausführungsform der Umwegschaltung der Redundanzschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9G ist ein Schaltungsdiagramm, das eine fünfte Ausführungsform der Umwegschaltung der Redundanzschaltung in der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9H ist ein Schaltungsdiagramm, das eine sechste Ausführungsform der Umwegschaltung der Redundanzschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 10A zeigt eine Skizze eines konventionellen Konstantspannungstreibers.
  • 10B zeigt eine Skizze eines konventionellen Konstantstromtreibers.
  • 10C zeigt eine Skizze eines konventionellen Wechselstromtreibers.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Ein Verfahren zum Betrieb einer LED für eine konstante Luminanzleistung gemäß der vorliegenden Erfindung (siehe 1) enthält die folgenden Schritte: 1. wird eine Gleichspannung VLED_DC aus einer Gleichspannungsquelle 110 an einen LED-Satz 120 angelegt, um einen LED-Strom ILED für die LED-Luminanz zu erzeugen, wobei der LED-Satz eine einzelne LED oder mehrere LED's in Reihe sein kann, 2. erfolgt die Steuerung des LED-Stroms durch einen Konstantspannungs- und Konstantstromregler 130 für ein LED-Spannungsdifferential- und eine Strombegrenzung auch unter schwierigen Situationen, wie Spannungsspitzen, Spannungs- und Stromwellen, erhöhter Umgebungstemperatur oder anderer Faktoren, die zu einer Änderung des Luminanzcharakters (I-V-Kurve) führen, 3. Verwendung eines Konstantstrom- und Spannungsreglers, wobei der LED-Strom am Ausgang 131 angenommen wird und die Ausgangsspannung Vf durch eine Konstantspannungsschaltung 132 begrenzt wird, wodurch die Überspannung aufgrund Spannungsspitzen, Wellen, usw. durch einen Konstantspannungstransistor 236, 237 absorbiert wird. Der LED-Strom ILED wird auf einen erwarteten LED-Strom über eine Konstantstromschaltung 133 ebenfalls begrenzt. Zur Einstellung der Ausgangsspannung Vf wird eine Referenzspannung von Vref in der Konstantspannungsschaltung verwendet. In der Konstantstromschaltung 133 (siehe 2) werden eine feste Spannung Vset und ein Stellwiderstand Rset für die Einstellung des Referenzstroms Iref verwendet, wobei Iref der Referenzstrom für die LED-Strombegrenzung darstellt. Um die Luminanzleistung in der Wechselspannung im Ein-/Ausbetrieb zu steuern, wird ein Schalttransistor mit einer funktionalen Gatespannung Von_off in der Konstantstromschaltung verwendet.
  • Die erste Ausführungsform für eine Gleichspannungsquelle im LED-Betrieb enthält: Umwandlung einer Wechselspannung VAC in eine Gleichspannung VDC über einen AC/DE-Gleichrichter; Umwandeln der welligen gleichgerichteten Spannung VDC in eine geringer wellige Ausgangsgleichspannung VLED_DC über einen DC/DC-Wandler für Haushaltsstrom (Wechselspannungsquelle); und Verdoppelung der Wechselspannung VAC ein bis mehrfach über eine Mehrzahl von Doppelspannungsgleichrichter. Die zweite Ausführungsform zur Erzeugung einer Gleichspannungsquelle im LED-Betriebsverfahren ist die Ausgabe von VLED_DC, die direkt aus einer Gleichspannungsquelle VDC über einen DC/DC-Konverter umgewandelt wurde. Die dritte Ausführungsform zur Zurverfügungstellung einer Gleichspannungsquelle in dem LED-Betriebsverfahren ist die Ausgabe von VLED_DC, die direkt aus einer Wechselspannungsquelle VAC über einen AC/DC-Konverter für Haushaltsstrom umgewandelt wurde.
  • Ein Treibersystem für eine LED für eine konstante Lichtleistung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: eine Gleichspannungsquelle 110 für die Zufuhr einer Gleichspannung VLED_DC, wobei die Gleichspannungsquelle aus einem AC/DC-Gleichrichter 111 zur Verwendung von Haushaltsstrom (siehe 7A-7E bezüglich Vollwellengleichrichter und 8A-8D bezüglich Halbwellengleichrichter) besteht. Ein LED-Satz 120 ist mit der Gleichspannungsquelle zur Erzeugung eines LED-Stroms ILED verbunden. Ein Konstantspannungs- und Konstantstromregler 130 ist mit dem LED-Satz zur Erzeugung einer LED-Differenzspannung- und einer Strombegrenzung auch unter widrigen Umständen, wie Spannungsspitzen, Strom- und Spannungswellen, Temperaturanstieg und anderer Faktoren verbunden, die zu Änderungen des Luminanzcharakters (I-V-Kurve) führen. Unter Steuerung des Konstantspannungs- und Konstantstromreglers wird das Spannungsdifferential und der Strom der LED auf VLED und ILED begrenzt und die Luminanzleistung PLED wird daher auf VLED·ILED beschränkt.
  • 3 zeigt, wie das Spannungsdifferential und der Strom durch die Konstantspannungs- und die Konstantstromregler 230 begrenzt werden. Dieser enthält: einen Ausgang 231 für die LED-Stromabnahme ILED, eine Konstantspannungsschaltung 232, die mit dem Ausgang verbunden ist, um die Ausgangsspannung Vf1 231 zu begrenzen, eine Konstantstromschaltung 233, die mit der Konstantspannungsschaltung verbunden ist, um den LED-Strom ILED zu begrenzen, einem Konstantspannungstransistor 236, 237 zur Absorbierung von Zusatzspannung wie Spannungsspitzen, Spannungswellen, usw. Die Konstantspannungsschaltung enthält auch einen Konstantspannungsoperationsverstärker (Op-Amp) 2324. Dieser positive Eingang isst mit dem positiven Eingang der Konstantspannungsschaltung für die Abnahme der Referenzspannung Vref verbunden ist, wobei der negative Eingang mit dem Ausgang der Konstantspannungsschaltung verbunden ist, und wobei der Verstärkungsausgang mit dem Gate des Konstantspannungstransistors verbunden ist. Der Konstantspannungstransistor 236, 237 und der Konstantspannungs-Op-Amp 2324 bilden eine Rückkopplungsschaltung, um die Ausgangsspannung Vf1 auf eine sehr stabile Spannung, die Bandlückennspannung Vref zu beschränken und Extra-Spannungsänderungen des Konstantspannungstransistors 236, 237 zu dämpfen.
  • Die Konstantspannungsquelle enthält außerdem eine Stromquelle 234 und eine Stromsenke 235. Die Stromquelle dient der Erzeugung eines Referenzstroms Iref und die Stromsenke dient der Beschränkung des LED-Stroms ILED durch den Referenzstrom Iref. Die Stromquelle (siehe 5) enthält: einen Konstantstrom-Operationsverstärker (Op-Amp) 510, dessen positiver Eingang mit dem positiven Eingang 2343 der Stromquelle für die Einstellung der Spannungs-Vset des Acceptors, dessen negativer Eingang mit dem zweiten Ausgang 2342 der Stromquelle (die über einen Einstellwiderstand Rset mit Basis verbunden ist) und außerdem mit der Quelle Vf2 eines Konstantstromtransistors 511 verbunden ist, wobei der Verstärkungsausgang mit dem Konstantstromtransistorgate verbunden ist und ein P-Kanal-Stromspiegel 512, bestehend aus einem Paar von mit gemeinsamen Gate P versehenen Kanaltransistoren, deren Eingangsdrain mit dem gemeinsamen Gate und dem zweiten Ausgang 2324 der Stromquelle verbunden ist, wobei der Ausgangs- und Drainanschluss mit dem ersten Ausgang 2341 der Stromquelle verbunden ist. Der P-Kanal-Stromspiegel kopiert den Strom durch seinen Eingangsdrainanschluss auf den Ausgangsdrainanschluss als Referenzstrom Iref = Vfs/Rset. Da die Ausgangsspannung des Konstantstrom Op-Amp Vf2 durch die Einstellspannung Vset gesteuert wird, die von der Bandlückenspannung kommt und die Spannungsfluktuation an Vf2 durch den Konstantstromtransistor 511 absorbiert werden kann, ist der Referenzstrom Iref = Vf2/Rset sehr stabil als Stromquelle für die Stromsenke. 6A-6C zeigen unterschiedliche Ausbildungsformen der Stromsenke. 6A ist ein erster Stromspiegel 611, der aus einem Paar von Transistoren mit gemeinsamen Gate besteht, deren Eingangsdrainanschluss mit dem gemeinsamen Gateanschluss verbunden ist und der erste Eingang 2351 der Stromsenke, und dessen Ausgangsdrainanschluss mit dem zweiten Eingang 2352 der Stromsenke für den LED-Strom ILED-Acceptor verbunden ist. Der LED-Strom durch den Ausgangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels wird als N-faches des Stroms durch den Eingangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels (d. h. Iref) beschränkt. 6B zeigt, dass die Stromsenke auch einen sekundären Stromspiegel 612 enthalten kann, entsprechend dem ersten Stromspiegel, dessen Eingangsdrainanschluss zwischen dem ersten Eingang der Stromsenke 2351 und dem Eingangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels für den Referenzstromacceptor liegt, und dessen Ausgangsdrainanschluss zwischen dem zweiten Eingang der Stromsenke 2352 und dem Ausgangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels für den LED-Strom-Acceptor ILED liegt. Der Strom durch den Ausgangsdrainanschluss des zweiten Stromspiegels (d. h. ILED) wird auf das N-fache des Stroms durch den Eingangsdrainanschluss des zweiten Stromspiegels, d. h. Iref begrenzt. 6C zeigt, dass die Stromsenke aus Folgendem bestehen kann: ein mehrere Paare enthaltener Transistor 613 mit gemeinsamen Gate, dessen Eingangsdrainanschluss zwischen dem ersten Eingangsdrainanschluss der Stromsenke und dem Eingangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels als Referenzstrom-Acceptor liegt, und dessen Ausgangsdrainanschluss zwischen dem zweiten Eingang der Stromsenke und dem Ausgangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels für den LED-Strom-Acceptor ILED liegt und einem Schalttransistor 614, der an einem gemeinsamen Gate liegt. Da der Schalttransistor das Ein- und Ausschalten der LED's über die Gatespannung steuern kann, kann auch die Luminanzleistung der LED's durch die Ein-/Ausfrequenz der funktionalen Gatespannung gesteuert werden.
  • Um den Terminierungseffekt aufgrund einer beschädigten LED beim Betrieb zu vermeiden, ist eine Redundanzschaltung (siehe 9A) mit einem LED-Satz kombiniert als LED-Stromumweg zwischen zwei Knotenpunkten des LED-Satzes vorgesehen. Der Umweg wird durch eine Redundanzsteuerung 72 gesteuert, wenn die Spannungsdifferenz zwischen zwei Knoten höher als eine Grenzspannung Vth ist, wobei Vth ein fester oder flexibler Wert sein kann. Die Redundanzschaltung mit fester Vth kann eine Umleitung 71 enthalten, die aus einem siliziumgesteuerten Gleichrichter (SCR), der mit dem LED-Satz parallel geschaltet ist (siehe 9C) besteht, dessen Gate durch einen Gatestrom IG von der Redundanzsteuerung zur Umleitungsöffnung gesteuert wird (siehe 9B). Die Redundanzschaltung mit flexibler Vth kann eine Umleitung enthalten, die Folgendes enthält: einen ersten Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (erster MOSFET), der mit dem LED-Satz parallel geschaltet ist, dessen Gate durch eine Gatespannung VG aus dem Redundanzsteuergerät zur Umwegöffnung gesteuert wird und einem Widerstand, der zwischen dem Gate und dem Drainanschluss des ersten MOSFET zum Einstellen der Grenzspannung Vth angeordnet ist. Um das Spannungsdifferenzial zwischen den zwei Enden der Umleitung nach der Umleitung festzulegen, sind ein Widerstand, eine Zenerdiode und ein zweiter Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (zweiter MOSFET) an dem Sourceanschluss des ersten MOSFET gemäß 9D, 9F bzw. 9G angeordnet. Eine Zenerdiode gemäß 9E ist mit dem LED-Satz parallel verbunden, dessen Umkehrstrom für die Umleitungsöffnung geschaltet wird, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den zwei Knoten höher als die Grenzspannung Vth ist. Ein mit der Zenerdiode in Reihe geschalteter Widerstand dient der Einstellung der Grenzspannung Vth. Daneben ist ein Transistor gemäß 9H mit dem LED-Satz parallel verbunden, dessen Gate durch einen Gatestrom IG von der Redundanzsteuerung zur Umleitungsöffnung gesteuert wird. Ein Basisstrom vom Redundanzsteuergerät dient zum Einstellen des Spannungsdifferentials zwischen den zwei Enden der Umleitung nach der Umleitung, und ein Widerstand, der zwischen dem Gate- und Drainanschluss des Transistors angeordnet ist, dient zum Einstellen der Grenzspannung Vth.
  • Wie in der vorgenannten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, dient entsprechend die vorliegende Erfindung der Sicherung des Zwecks, eine LED-Betriebsmethode und ein System mit strenger Spannungs- und Strombeschränkung zu erzeugen, das insbesondere für eine industrielle Verwendung als Massenprodukt eingesetzt werden kann.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass durch Fachleute verschiedene Modifikationen und Variationen durchgeführt werden können, ohne dass die oben genannte Lehre der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims (40)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Leuchtdiode (LED) für eine konstante Lichtleistung mit den folgenden Schritten: a) Anlegen einer Gleichspannung VLED_DC aus einer Gleichspannungsquelle (110), b) Vorsehen eines LED-Satzes (120) zur Erzeugung eines LED-Stroms ILED zum Leuchten der LED, wobei der LED-Strom gesteuert wird, und c) Vorsehen eines Konstantspannungs- und Konstantstromreglers (130) zur Klemmung des LED-Spannungsdifferenzials und des Stromes auch unter widrigen Umständen, wie Spannungsspitzen, Spannungs- und Stromwellen, Umgebungstemperaturerhöhung oder anderer Faktoren zur Änderung des Luminanzcharakters (I-V-Kurve).
  2. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 1, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler (130) die folgenden Schritte ausführt: a) Empfangen des LED-Stroms über einen Ausgang, b) Klemmung der Ausgangsspannung Vf und Absorption von Überspannungen bei Spannungsspitzen, Wellen und ähnlichem über eine Konstantspannungsschaltung (132), und c) Klemmen des LED-Stroms ILED über eine Konstantstromschaltung (133).
  3. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 2, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler (130) ferner die folgenden Schritte ausführt: a) Abgabe eines Referenzstroms Iref über eine Referenzstromquelle, und b) Klemmung des LED-Stroms ILED über den Referenzstrom.
  4. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 2, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler (130) ferner das Einstellen der Ausgangsspannung Vf durch eine Eingangsreferenzspannung Vref ausführt.
  5. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 3, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler (130) ferner das Einstellen der Referenzstroms Iref durch eine Einstellspannung Vset und einen Einstellwiderstand Rset ausführt.
  6. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 3, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler das Einstellen eines Luminanzschalters durch eine funktionale Gatespannung ausführt, wobei der Luminanzschalter das Ein- und Ausschalten der LED mit einer funktionalen Frequenz zur Anpassung an die erwartete Luminanzleistung ausführt.
  7. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 1, bei dem die LED aus einer einzelnen LED's besteht.
  8. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 1, bei dem die LED aus einer Mehrzahl von LED in Reihe besteht.
  9. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 1, bei dem die Gleichspannung erhalten wird durch: Umwandeln einer Wechselspannung VAC in eine Gleichspannung VDC mittels eines AC/DC-Gleichrichters und Umwandeln der welligen Gleichspannung VDC zu einer geringer welligen Ausgangsgleichspannung VLED_DC über einen DC/DC-Konverter, um Haushaltsstrom (Wechselspannungsquelle) zum Betrieb der LED zu verwenden.
  10. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 9, wobei die Gleichspannungsquelle eine Ein- oder Mehrfachverdoppelung der Wechselspannung VAC mittels einer Mehrzahl von Doppelspannungsgleichrichtern durchführt.
  11. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 1, bei dem der Ausgang VLED_DC der Gleichspannungsquelle aus einer Gleichspannung VDC über einen DC/DC-Konverter umgewandelt wird.
  12. Verfahren zum Betrieb einer LED nach Anspruch 1, bei dem der Ausgang VLED_DC der Gleichspannungsquelle über einen AC/DC-Konverter aus einer Wechselspannung VAC umgewandelt wird, um Haushaltsstrom zum Betrieb der LED zu verwenden.
  13. System zum Betrieb einer Leuchtdiode (LED) zur Erzielung einer konstanten Leuchtleistung, welches enthält: a) ein Gleichspannungsquelle für eine Gleichspannung VLED_DC, b) einen LED-Satz, der mit der Gleichspannungsquelle zur Erzeugung eines LED-Stroms ILED verbunden ist, c) einen Konstantspannungs- und Konstantstromregler, der mit dem LED-Satz verbunden ist, um das LED-Spannungsdifferenzial und den Strom zu klemmen auch unter widrigen Umständen wie Spannungsspitzen, Spannungs- und Stromwellen, ansteigender Umgebungstemperatur oder anderer Faktoren zur Änderung des Luminanzcharakters (I-V-Kurve).
  14. System nach Anspruch 13, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler Folgendes enthält: a) einen Ausgang für einen LED-Stromempfänger ILED, b) eine Konstantspannungsschaltung, die mit dem Ausgang zur Klemmung der Ausgangsspannung Vf1 verbunden ist, und c) eine Konstantstromschaltung, die mit der Konstantspannungsschaltung zur Klemmung des LED-Stroms ILED verbunden ist.
  15. System nach Anspruch 14, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler ferner enthält: a) eine Stromquelle, die einen ersten Ausgang für die Abgabe eines stabilen Referenzstroms Iref enthält, b) eine Stromsenke, die einen ersten Eingang enthält, der mit dem ersten Ausgang der Stromquelle für den Empfänger des Referenzstroms Iref verbunden ist, und einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang der Konstantspannungsschaltung für den Empfang des LED-Stroms ILED verbunden ist, wobei der Strom durch den zweiten Eingang, (d. h. ILED) als ILED = Iref·N geklemmt ist, wobei N ein festgelegter Wert ist.
  16. System nach Anspruch 14, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler ferner enthält: einen positiven Eingang an der Konstantspannungsschaltung für den Empfänger für die Referenzspannung Vref zur Steuerung des Klemmwerts der Spannung Vf1.
  17. System nach Anspruch 15, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler ferner enthält: einen positiven Eingang an der Stromquelle zur Einstellung des Empfängers der Spannung Vset, und einem zweiten Ausgang an der Stromquelle, der mit einem Einstellwiderstand Rset nach Masse verbunden ist, wobei die zweite Ausgangsspannung Vf2 durch Einstellung der Spannung Vset und des Ausgangsstroms des ersten Ausgangs auf die Stromquelle auf Iref = Vf2/Rset eingestellt ist.
  18. System nach Anspruch 13, bei dem der LED-Satz aus einer einzelnen LED besteht.
  19. System nach Anspruch 13, bei dem der LED-Satz aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteter LED's besteht.
  20. System nach Anspruch 13, bei dem die Gleichspannungsquelle Folgendes enthält: einen Wechselspannungsumformer, der eine Wechselspannung VAC abgibt, einen AC/DC-Gleichrichter, der die Wechselspannung VAC in eine Gleichspannung VDC umwandelt und einem DC/DC-Konverter, der die wellige Gleichspannung VDC in eine geringer wellige Gleichspannungsquelle VLED_DC umwandelt, um zum Betrieb der LED Haushaltsstrom zu verwenden.
  21. System nach Anspruch 20, bei dem die Gleichspannungsquelle ferner enthält: eine Mehrzahl von Doppelspannungsgleichrichtern, um die Wechselspannung VAC vor der Einführung in den AC/DC-Gleichrichter ein- oder mehrfach zu verdoppeln.
  22. System nach Anspruch 13, bei dem die Gleichspannungsquelle die Spannung VLED_DC aus der Umwandlung einer Gleichspannung VDC über einen DC/DC-Konverter ausgibt.
  23. System nach Anspruch 13, bei dem die Gleichspannungsquelle VLED_DC aus der Umwandlung einer Wechselspannung VAC über einen AC/DC-Konverter abgibt zur Verwendung von Haushaltsstrom zum Betrieb einer LED.
  24. System nach Anspruch 16, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler ferner enthält: einen Konstantspannungstransistor, der zwischen dem Ausgang und dem Ausgang einer Konstantspannungsschaltung angeordnet ist und einen Konstantspannungsoperationsverstärker (Op-Amp), dessen positiver Eingang mit dem positiven Eingang einer Konstantspannungsschaltung für den Referenzspannungs-Vref-Empfänger geschaltet ist, wobei der negative Eingang mit dem Ausgang einer Konstantspannungsschaltung verbunden ist, und wobei der Gateausgang mit dem Konstantspannungstransistorgate verbunden ist, wobei der Konstantspannungstransistor und der Op-Amp eine Rückkopplungsschaltung bildet, um die Ausgangsspannung Vf1 durch eine sehr stabile Spannung, die Bandlückenreferenzspannung Vref, zu klemmen und zur Dämpfung einer zusätzlichen Spannungsfluktuation auf dem Konstantspannungstransistor.
  25. System nach Anspruch 16, das ferner enthält: einen Konstantspannungstransistor, der zwischen der Gleichspannungsquelle und dem LED-Satz angeordnet ist und einen Konstantspannungsoperationsverstärker (Op-Amp), dessen positiver Eingang mit dem positiven Eingang der Konstantspannungsschaltung für den Referenzspannungsempfänger Vref verbunden ist, wobei der negative Eingang mit dem Ausgang einer Konstantspannungsschaltung verbunden ist und der Gateausgang mit dem Konstantspannungstransistorgate verbunden ist, wobei der Konstantspannungstransistor und der Op-Amp eine Rückkopplungsschaltung zur festen Klemmung der Ausgangsspannung Vf1 durch eine sehr stabile Spannung, die Bandlückenreferenzspannung Vref, geklemmt wird und zur Dämpfung von zusätzlicher Spannungsfluktuation an dem Konstantspannungstransistor.
  26. System nach Anspruch 17, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler ferner enthält: einen Konstantstrom-Op-Amp, dessen positiver Eingang mit dem positiven Eingang der Stromquelle für die Einstellung der Spannung Vset des Empfängers verbunden ist, wobei der negative Eingang mit dem zweiten Ausgang der Stromquelle verbunden ist und wobei der Gateausgang mit dem negativen Eingang verbunden ist, um eine Rückkopplungsschaltung zu bilden, wobei die Einstellspannung Vset aus der Bandlückenreferenzspannung kommt, um die Spannung an dem zweiten Ausgang der Stromquelle als Vf2 zu klemmen, um einen stabilen Strom = Vf2/Rset zu erzeugen, und einen P-Kanal-Stromspiegel, der aus einem Paar von P-Kanal-Transistoren mit gemeinsamen Gate gebildet ist, dessen Eingangsdrainanschluss mit dem gemeinsamen Gainanschluss und dem zweiten Ausgang der Stromquelle verbunden ist, und dessen Ausgangsdrainanschluss mit dem ersten Ausgang der Stromquelle verbunden ist, um eine Stromkopie von dem Eingangsdrainanschluss an den Ausgangsdrainanschluss als Referenzstrom Iref = Vf2/Rset zu erzeugen.
  27. System nach Anspruch 26, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler ferner enthält: einen Konstantstromtransistor, der zwischen dem zweiten Ausgang der Stromquelle und dem Eingang des P-Kanal-Stromspiegels angeordnet ist, wobei die Verbindung zwischen dem Gainausgang und dem negativen Eingang des Konstantstroms Op-Amp terminiert ist und die Verbindung zwischen dem Gainausgang und dem Gate des Konstantstromtransistors verbunden ist, um Überschussspannung an Vf2 für eine stabile Stromzufuhr zu absorbieren.
  28. System nach Anspruch 15, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler ferner enthält: einen ersten Stromspiegel, der aus einem Paar von Transistoren mit gemeinsamen Gate gebildet ist, dessen Eingangsdrainanschluss mit dem gemeinsamen Gate und dem ersten Eingang der Stromsenke verbunden ist, wobei der Ausgangsdrainanschluss mit dem zweiten Eingang der Stromsenke für den Strom-LED-Empfänger für den LED-Strom ILED verbunden ist, wobei der Strom durch den Ausgangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels (d. h. ILED) auf das N-fache des Stroms durch den Eingangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels (d. h. Iref) geklemmt ist.
  29. System nach Anspruch 28, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler ferner enthält: einen zweiten Stromspiegel gleich dem ersten Stromspiegel, dessen erster Eingangsdrainanschluss zwischen dem ersten Eingang der Stromsenke und dem Eingangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels für den Empfänger der Referenzstroms angeordnet ist, und dessen Ausgangsdrainanschluss zwischen dem zweiten Eingang der Stromsenke und dem Ausgangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels für den Empfänger des LED-Stroms ILED angeordnet ist, wobei der Strom durch den Ausgangsdrainanschluss des zweiten Stromspiegels (d. h. ILED) auf das N-fache des Stroms durch den Eingangsdrainanschluss des zweiten Stromspiegels (d. h. Iref), geklemmt ist.
  30. System nach Anspruch 28, bei dem der Konstantspannungs- und Konstantstromregler ferner enthält: ein Paar von Transistoren mit gemeinsamem Gate der Stromsenke, dessen Eingangsdrainanschluss zwischen dem ersten Eingang der Stromsenke und dem Eingangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels für den Referenzstromempfänger angeordnet ist, und dessen Ausgangsdrainanschluss zwischen dem zweiten Eingang der Stromsenke und dem Ausgangsdrainanschluss des ersten Stromspiegels für den Empfänger für den LED-Strom ILED angeordnet ist, und einem Schalttransistor, der am Gate des Paars der Transistoren mit gemeinsamen Gate der Stromsenke angeordnet ist, wobei das Ein- und Ausschalten der LED's durch die Gatespannung gesteuert werden kann und die Leuchtleistung durch die Ein-/Ausschalt-Frequenz der funktionalen Gatespannung gesteuert werden kann.
  31. Redundanzschaltung, die mit einem LED-Satz kombiniert ist, zur Verwendung als LED-Stromumleitungsschaltung zwischen zwei Knoten des LED-Satzes zum Schutz der LED und der LED-Luminanzerhaltung, wobei die Umleitung durch eine Redundanzsteuerung steuerbar ist, wenn die Spannungsdifferenz zwischen zwei Knoten höher als eine Grenzspannung Vth ist.
  32. Redundanzschaltung nach Anspruch 31, bei der die Grenzspannung Vth festgelegt ist.
  33. Redundanzschaltung nach Anspruch 31, bei der die Grenzspannung Vth flexibel ist.
  34. Redundanzschaltung nach Anspruch 31, bei der die Umleitungsschaltung ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR) ist, der mit dem LED-Satz parallel geschaltet ist, dessen Gate durch ein Gatestrom IG vom Redundanzsteuergerät zur Umleitungsöffnung gesteuert wird.
  35. Redundanzschaltung nach Anspruch 31, bei der die Umleitungsschaltung enthält: einen ersten Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (erster MOSFET), der mit dem LED-Satz parallel geschaltet ist, dessen Gate durch eine Gatespannung VG von der Redundanzsteuerung zur Umleitungsöffnung gesteuert wird, und einem Widerstand, der zwischen dem Gate und dem Drainanschluss des ersten MOSFET eingeschaltet ist, um die Grenzspannung Vth festzulegen.
  36. Redundanzschaltung nach Anspruch 35, bei der die Umleitungsschaltung ferner enthält: ein Widerstand, der mit dem Sourceanschluss des ersten MOSFET in Serie geschaltet ist, um das Spannungsdifferential zwischen zwei Enden der Umleitung nach der Umleitung festzulegen.
  37. Redundanzschaltung nach Anspruch 35, bei der die Umleitungsschaltung ferner enthält: eine Zenerdiode, die mit der Quelle des ersten MOSFET in Reihe geschaltet ist, um die Differentialspannung zwischen zwei Enden der Umleitung nach der Umleitung festzulegen.
  38. Redundanzschaltung nach Anspruch 35, bei der die Umleitungsschaltung enthält: einen zweiten Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (zweiter MOSFET), der mit dem Sourceanschluss des ersten MOSFET in Reihe geschaltet ist, um das Spannungsdifferential zwischen zwei Enden der Umleitung nach der Umleitung festzulegen.
  39. Redundanzschaltung nach Anspruch 31, bei der die Umleitungsschaltung enthält: eine Zenerdiode, die mit dem LED-Satz parallel geschaltet ist, deren Rückwärtsstrom zur Umleitungsöffnung geleitet wird, wenn das Spannungsdifferential zwischen zwei Knoten höher als eine Grenzspannung Vth ist und einen Widerstand, der mit der Zenerdiode in Reihe geschaltet ist, um die Grenzspannung Vth zu setzen.
  40. Redundanzschaltung nach Anspruch 31, bei der die Umleitungsschaltung enthält: einen Transistor, der mit dem LED-Satz parallel geschaltet ist, dessen Gate durch einen Gatestrom IG von dem Redundanzsteuergerät zur Umleitungsöffnung gesteuert wird und dessen Basis durch einen Basisstrom von der Redundanzsteuerung gesteuert wird, um das Spannungsdifferential zwischen zwei Enden der Umleitung nach der Umleitung einzustellen, und einen Widerstand, der zwischen dem Gate und Drainanschluss des Transistors eingeschaltet ist, um die Grenzspannung Vth einzustellen.
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