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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung
von Leuchtdioden, insbesondere eine Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe
mehrere parallel geschaltete Leuchtdiodeneinheiten angesteuert werden
können.
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Konventionelle
Leuchtmittel wie z. B. Halogenlampen werden zunehmend durch Leuchtdioden bzw.
Leuchtdiodeneinheiten mit mehreren Leuchtdioden ersetzt. Gründe dafür sind beispielsweise
längere
Lebensdauer, kürze
Ansprechzeiten und ein im Vergleich zu Halogenlampen wesentlich
höherer
Wirkungsgrad. So kann beispielsweise eine 30 Watt LED-Matrix einen
Lichtstrom von 1800 Lumen erzeugen, was 60 Lumen pro Watt aufgenommener
Leistung entspricht. Konventionelle, beispielsweise in Automobilen
eingesetzte Halogenlampen erzeugen im Vergleich dazu nur rund die
halbe Lichtausbeute von 30 Lumen pro Watt aufgenommener Leistung.
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Da
es sich bei Leuchtdioden um stromgesteuerte Bauteile handelt, bei
denen der erzeugte Lichtstrom proportional zu einem die Bauelemente durchfließenden Strom
ist, besteht ein Bedarf für
effiziente Stromquellenschaltungen zur Versorgung bzw. zur Ansteuerung
der Leuchtdiodeneinheiten.
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Eine
Möglichkeit
zur Ansteuerung von Leuchtdioden ist die Verwendung von konventionellen
Linearreglern, die jedoch speziell bei hohen Versorgungsspannungen,
z. B. Batteriespannungen in Kraftfahrzeugen, verhältnismäßig hohe
Verlustleistungen erzeugen und daher einen untragbar niedrigen Wirkungsgrad
aufweisen.
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Eine
zweite Möglichkeit
zur Ansteuerung von Leuchtdioden ist die Verwendung von Schaltwandlern,
die dazu ausgebildet sind, die Versorgungsspannung an einer Leuchtdiodeneinheit
derart anzupassen, dass sich ein vorgegebener Diodenstrom und damit
ein vorgegebener Lichtstrom einstellt. Da jedoch die Flussspannung
von Leuchtdioden herstellungsbedingt erheblich schwanken kann und
auch die Anzahl in Reihe geschalteter Leuchtdioden in einer Leuchtdiodeneinheit
variieren kann, wird pro Leuchtdiodeneinheit ein eigener Schaltwandler
zur Ansteuerung der Einheit benötigt.
Diese Variante zeichnet sich zwar durch einen hohen Wirkungsgrad aus,
ist wegen der Notwendigkeit, mehrere Schaltwandler vorzusehen, allerdings
teuer.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur
Ansteuerung von Leuchtdiodeneinheiten zur Verfügung zu stellen, die eine gleichzeitige
Ansteuerung mehrerer Leuchtdiodeneinheiten bei hohem Wirkungsgrad
ermöglicht und
die kostengünstig
realisierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausführungsformen
und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
verwendet eine Kombination von Linearreglern (Stromquellenschaltungen)
und Schaltwandlern. Um bei einer Mehrzahl von Leuchtdiodeneinheiten
zu garantieren, dass jede Leuchtdiodeneinheit mit ihrem vorgegebenen
Nennstrom betrieben wird, ist für
jede Leuchtdiodeneinheit ein eigener Linearregler vorgesehen. Um
nun mehrere solcher Paare (bestehend aus Leuchtdiodeneinheit und
Stromquelle) parallel an einem Schaltwandler zu betreiben, ist der
Schaltwandler erfindungsgemäß derart
angesteuert, dass die Gesamtverlustleistung sämtlicher Stromquellenschaltungen
minimal wird. Das heißt,
abhängig
von den tatsächlichen
Flussspannungen der Leuchtdiodeneinheiten, die herstellungsbedingt
und aufgrund der verbauten Einzelleuchtdioden entsprechend schwanken
können,
wird die von dem Schaltwandler zur Verfügung gestellte gemeinsame Versorgungsspannung
für sämtliche
Leuchtdiodeneinheiten derart niedrig gewählt, dass die Verlustleistungen
in den jeweiligen Stromquellenschaltungen in Summe minimal wird.
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Eine
allgemeine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Ansteuern von Leuchtdioden umfasst einen Schaltwandler, der
eine von einem (dem Schaltwandler zugeführten) Regelsignal abhängige Ausgangsspannung
an einem Ausgangsanschluss zur Verfügung stellt, wenigstens zwei
mit dem Ausgangsanschluss verbundene Reihenschaltungen je einer
Leuchtdiodeneinheit und einer Stromquellenschaltung. Die Schaltungsanordnung
umfasst darüber
hinaus eine Regelschaltung, der für jede Stromquellenschaltung
ein von der Verlustleistung in der jeweiligen Stromquellenschaltung
abhängiges
Verlustleistungssignal zugeführt
ist und die dazu ausgebildet ist, das Regelsignal abhängig von
den Verlustleistungssignalen zu erzeugen. Bei den erwähnten Leuchtdiodeneinheiten handelt
es sich jeweils um einzelne Leuchtdioden oder um Reihenschaltungen
von zwei oder mehr Leuchtdioden, wobei die Anzahl der in Reihe geschalteten
Leuchtdioden in jeder Leuchtdiodeneinheit unterschiedlich sein kann.
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Da
Konstantstromquellen naturgemäß von einem
konstanten Strom durchflossen werden, kann das Verlustleistungssignal
in einfacher Weise aus der an der jeweiligen Stromquelle abfallenden
Spannung oder einer davon abhängigen
Größe gewonnen
werden.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Regelschaltung dazu ausgebildet, das Regelsignal
abhängig
von einem Differenzsignal zu erzeugen, das proportional zur Differenz
zwischen einem Referenzsignal und dem kleinsten Verlustleistungssignal ist.
Das heißt,
das kleinste der Verlustleistungssignale (beispielsweise jene Stromquellenspannung
mit dem niedrigsten Wert) wird mit einem Referenzsignal verglichen
und aus der Differenz von Referenzsignal und dem kleinsten Verlustleistungssignal
wird das Regelsignal zur Ansteuerung des Spannungswandlers abgeleitet.
Das Referenzsignal repräsentiert
beispielsweise jene Spannung, die mindestens über einer Stromquelle abfallen
muss, damit diese bestimmungsgemäß funktioniert.
Dadurch wird gewährleistet,
dass bei keiner der Stromquellen mehr Verlustleistung erzeugt wird,
als es unbedingt für
den Betrieb der gesamten Schaltungsanordnung notwendig ist.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kommt
vor allem dann zum Tragen, wenn eine oder mehrere der Stromquellen
abschaltbar sind. Wird beispielsweise jene Leuchtdiodeneinheit mit
der höchsten
Betriebsspannung (Flussspannung) abgeschaltet, wird durch die erfindungsgemäße Regelschaltung
gewährleistet, dass
die Ausgangsspannung am Ausgang des Schaltwandlers auf einen Betrag
reduziert wird, der für
den Betrieb der Leuchtdiodeneinheit mit der zweithöchsten Versorgungsspannung
gerade noch notwendig ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung mit einem Schaltwandler, einer Leuchtdiodeneinheit,
bei der ein zum Strom durch die LED-Einheit proportionales Signal
an den Schaltwandler rückgekoppelt wird.
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2A zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Schaltwandler an dessen Ausgang mehrere Leuchtdiodeneinheiten
angeschlossen sind, bei der für
jede Leuchtdiodeneinheit eine Stromquellenschaltung vorgesehen ist
und für
jede Stromquellenschaltung ein Verlustleistungssignal an den Schaltwandler
rückgekoppelt
wird.
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2B veranschaulicht
die Funktionsweise der in 2A dargestellten
Schaltungsanordnung anhand von Sig nalverläufen in der Schaltungsanordnung
vorhandener Signale.
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3 veranschaulicht
eine Realisierungsmöglichkeit
einer Stromquellenschaltung.
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4 veranschaulicht
eine Realisierungsmöglichkeit
einer Regelschaltung die einen Fehlerverstärker und ein Filter aufweist.
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5 veranschaulicht
eine Realisierungsmöglichkeit
eines Fehlerverstärkers.
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6 veranschaulicht
eine weitere Realisierungsmöglichkeit
des Aufbaus eines Fehlerverstärkers.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher
Bedeutung.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leuchtdioden. Die Schaltungsanordnung
umfasst einen Schaltwandler 10, eine an den Schaltwandler
angeschlossene Leuchtdiodeneinheit 20 und eine Regelschaltung 30,
welche ein zum Strom durch die Leuchtdiodeneinheit proportionales
Signal an den Schaltwandler rückkoppelt,
so dass der Diodenstrom auf einen konstanten Wert geregelt wird.
Der Schaltwandler umfasst einen ersten Versorgungspotentialanschluss,
zum Anlegen eines Versorgungspotentials VBAT und einen zweiten Versorgungspotentialanschluss,
zum Anlegen eines Bezugspotentials GND (z. B. Masse). Er umfasst
des Weiteren einen Ausgangsanschluss 100 an dem er eine
Ausgangsspannung Vout für
die daran angeschlossenen Komponenten zur Verfügung stellt, und einen Eingangsanschluss 101,
dem ein Regelsignal VR zugeführt
ist, das den Wert der Ausgangsspannung Vout bestimmt. Mit dem Ausgangsanschluss 100 des
Schaltwandlers 10 ist die Leuchtdiodeneinheit 20 anodenseitig
verbunden und wird somit mit der Ausgangsspannung Vout des Schaltwandlers versorgt.
Kathoden seitig ist die Leuchtdiodeneinheit 20 über einen
Messwiderstand R mit dem Anschluss für Bezugspotential GND verbunden.
Der Widerstand R dient zur Messung des Diodenstromes, wobei die Spannung über dem
Widerstand R proportional zum Diodenstrom ist. Statt eines Widerstandes
kann selbstverständlich
jede andere bekannte Methode zur Strommessung verwendet werden.
Die Spannung über
dem Widerstand R dient als Strommesssignal, das der Regelschaltung 30 zugeführt ist.
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Die
Regelschaltung 30 ist dazu ausgebildet, das Strommesssignal
mit einem Referenzsignal VREF zu vergleichen, und ein davon anhängiges Regelsignal
VR zu erzeugen, das wiederum dem Eingangsanschluss 101 des
Schaltwandlers 10 zugeführt
ist. Durch die Rückkopplung
des Regelsignals VR wird die Ausgangsspannung Vout des Schalterwandlers
derart eingestellt, dass der Diodenstrom durch Leuchtdiodeneinheit 20 einem
durch das Referenzsignal VREF definierten, beispielsweise konstanten,
Wert entspricht.
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Der
Schaltwandler 10 ist in dem dargestellten Beispiels Tiefsetzsteller
(Guck Converter) realisiert. Je nach den Anforderungen der Anwendung kann
auch ein Hochsetzsteller (Boost Converter) oder ein Hoch-/Tiefsetzsteller
(Buck-Boost Converter) verwendet werden. Der Versorgungspotentialanschluss
ist über
einen Halbleiterschalter, in dem Beispiel einen ein MOS-Transistor T, und
einer in Reihe zu dem MOS-Transistor T geschalteten Induktivität L mit
dem Ausgangsanschluss 100 verbunden. Die Ausgangsspannung
steht über
einer Ausgangskapazität
C zur Verfügung,
die zwischen den Ausgang Vout und den Bezugspotentialsanschluss
geschaltet ist. Eine Laststrecke (Drain-Source-Strecke) des MOS-Transistors
T ist zwischen den Versorgungspotentialanschluss und die Induktivität L geschaltet.
Parallel zu einer Reihenschaltung der Induktivität L und der Ausgangskapazität ist ein
Freilaufelement D, beispielsweise eine Diode, geschaltet, die bei
sperrendem Transistor T ein Abkommentieren der Induktivität ermöglicht.
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Der
MOS-Transistors T wird über
seinem Steueranschluss bzw. Gateanschluss mit einem pulsweitenmodulierten
Steuersignal PWM angesteuert. Das Tastverhältnis (bzw. der Duty-Cycle)
des pulsweitenmodulierten Signals PWM bestimmt in bekannter Weise
den Wert der Ausgangsspannung Vout. Das pulsweitenmodulierte Steuersignal
PWM kann durch einen einen Komparator K aufweisenden Pulsweitenmodulator
erzeugt werden. Im dargestellten Beispiel ist ein Ausgang des Komparators
K mit dem Steueranschluss des MOS-Transistors T verbunden. Einem
ersten Eingang des Komparators K ist ein Sägezahnsignal mit fest vorgegebener
Frequenz und einem zweiten Eingang des Komparators K ist das Regelsignal
VR zugeführt.
Der Duty-Cycle des pulsweitenmodulierten Steuersignals PWM ist in der
gezeigten Anordnung direkt proportional zum Spannungspegel des Regelsignals
VR. Erhöht
sich der Spannungspegel des Regelsignals VR, so erhöht sich
auch der Duty-Cycle des pulsweitenmodulierten Steuersignals PWM
und damit der Wert der Ausgangsspannung Vout.
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Bei
der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung passt sich
die Ausgangsspannung Vout an die Betriebsspannung (Flussspannung)
der verwendeten Leuchtdiodeneinheit anpasst, auch wenn die Betriebsspannung,
die der Summe der Flussspannungen der in der LED-Einheit in Reihe
geschalteten LEDs entspricht, abhängig von der verwendeten Leuchtdiodeneinheit 20 erheblich
variieren kann. Bei temperaturbedingten Änderungen der Betriebsspannung
der Leuchtdiodeneinheit 20 wird die Ausgangspannung Vout
entsprechend nachgeregelt.
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Der
Messwiderstand R könnte
auch durch eine Stromquelle ersetzt werden. In diesem Falle wäre jedoch
eine Rückkopplung
mit der Regelschaltung 30 wirkungslos und muss weggelassen
werden. Die Ausgangsspannung Vout ist dann fest vorgegeben, und
muss für
den schlechtesten Fall, d. h. für
die höchste
mögliche
Betriebsspannung einer Leuchtdiodeneinheit, ausgelegt werden, was
jedoch auch bedeutet, dass für
einen großen
Teil von Leuchtdiodeneinheiten 20 der Schaltwandler überdi mensioniert
ist und unnötig
Verlustleistung in den Stromquellen erzeugt wird.
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2A zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Ansteuerung von mehreren parallel geschalteten Leuchtdiodeneinheiten 20a, 20b und 20c.
Die Leuchtdiodeneinheiten 20a, 20b, 20c sind
jeweils anodenseitig mit einem Ausgangsanschluss 100 eines Schaltwandlers 10 und
kathodenseitig mit je einer Stromquellenschaltung 21a, 21b und 21c verbunden. Die
Reihenfolge von Stromquellenschaltungen 21a, 21b, 21c und
Leuchtdiodeneinheiten 20a, 20b, 20c innerhalb
der Reihenschaltung kann jedoch auch vertauscht sein. Den Stromquellenschaltungen 21a, 21b, 21c ist
jeweils ein Stromquellensteuersignal VCA, VCB und VCC zugeführt, mit
deren Hilfe die Stromquellen aktiviert und deaktiviert werden können. Dadurch
sind die einzelnen Leuchtdiodeneinheiten 20a, 20b, 20c über die
Stromquellensteuersignale ein- und ausschaltbar.
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Jede
der stellt jede Stromquellenschaltungen 21a, 21b, 21c stellt
ein Verlustleistungssignal VA, VB und VC zur Verfügung, das
ein Maß für die in der
jeweiligen Stromquellenschaltung auftretende Verlustleistung darstellt.
Im einfachsten Fall dienen die über
den Stromquellenschaltungen 21a, 21b, 21c abfallenden
Spannungen als Verlustleistungssignale, wenn davon ausgegangen wird,
dass die Stromquellenschaltungen jeweils konstante Ströme erzeugen.
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Die
Verlustleistungssignale VA, VB und VC sind neben einem Referenzsignal
VREF einer Regelschaltung 30 zugeführt. Die Regelschaltung 30 ist dazu
ausgebildet, ein Regelsignal VR abhängig von den Verlustleistungssignalen
VA, VB und VC zu erzeugen. Hierdurch kann erreicht werden, dass
die in den Stromquellenschaltungen in Summe erzeugte Verlustleistung
einen Minimalwert annimmt. Zu diesem Zweck kann die Regelschaltung 30 dazu
ausgebildet sein, die Verlustleistungssignale VA, VB und VC mit
dem Referenzsignal VREF zu vergleichen und das Regelsignal VR abhängig von
dem Wert der Differenz zwischen dem Referenzsignal VREF und dem
kleinsten der Verlustleistungssignale VA, VB, VC zu erzeugen. Durch
die Rückkopplung
der Verlustleistungssignale VA, VB und VC soll erreicht werden,
dass die Ausgangsspannung Vout des Schaltwandlers 10 so
angepasst wird, dass die Verlustleistung in jener Stromquelle mit
der geringsten erzeugten Verlustleistung minimal wird. Für den konkreten Fall,
dass die Spannungen über
den Stromquellenschaltungen als Verlustleistungssignale VA, VB und VC
herangezogen werden, bedeutet dies, dass die Ausgangsspannung Vout
des Schaltwandlers 10 soweit reduziert wird, bis an jener
Stromquelle mit dem geringsten Spannungsabfall nur mehr die minimal
für den
Betrieb notwendige Spannung abfällt.
Dieser minimal notwendige Spannungsabfall über den Stromquellenschaltungen 21a, 21b, 21c wird
durch das Referenzsignal VREF festgelegt. Die Summe der an den Stromquellenschaltungen 21a, 21b, 21c abfallenden
Spannungen und damit die Summe der erzeugten Verlustleistungen wird
so auf das in dieser Anordnung kleinstmögliche Maß reduziert.
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Realisierungsmöglichkeiten
für die
Regelschaltung 30 werden nachfolgend anhand der 4, 5 und 6 noch
erläutert
werden.
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Anhand
der in der 2B dargestellten Signalverläufe wird
die Funktionsweise der in 2A dargestellten
Schaltungsanordnung näher
erläutert. Es
wird davon ausgegangen, dass – wie
in 2A dargestellt – die erste Leuchtdiodeneinheit 20a eine Reihenschaltung
von zwei Leuchtdioden, die zweite Leuchtdiodeneinheit 20b eine
Reihenschaltung von vier Leuchtdioden und die dritte Leuchtdiodeneinheit 20c eine
Reihenschaltung von drei Leuchtdioden aufweist. Jede einzelne Leuchtdiode
hat dabei eine Flussspannung VF. Die ersten drei Zeitdiagramme aus 2B zeigen
beispielhaft mögliche
Signalverläufe
für die
Stromquellensteuersignale VCA, VCB und VCC. Der Verlauf der Steuersignale
VCA, VCB und VCC ist – je
nach Anwendung – beliebig.
Der dargestellte Fall ist ledig lich als konstruiertes Beispiel zum
Testen der Anordnung zu verstehen, mit dessen Hilfe die Arbeitsweise
der Schaltungsanordnung illustriert werden soll. Im vorliegenden
Fall passt sich die Ausgangsspannung Vout (Versorgungsspannung für die Leuchtdiodeneinheiten 20a, 20b, 20c)
immer an den Zweig an, in dem sich die Leuchtdiodeneinheit mit der
höchsten
Betriebsspannung befindet. Wird dieser Zweig abgeschaltet, so reduziert
sich die Ausgangsspannung Vout und passt sich an den Zweig an, in
dem sich die Leuchtdiodeneinheit mit der zweithöchsten Betriebsspannung befindet,
usw. Der Schaltzustand eines Zweiges ist für die Regelung irrelevant,
solange ein Zweig mit einer Leuchtdiodeneinheit mit einer höheren Betriebsspannung
aktiv ist. Dieses Verhalten wird durch die Zeitdiagramme in 2B deutlich.
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Des
Weiteren weisen im vorliegenden Beispiel die Leuchtdiodeneinheiten 20a, 20b, 20c eine unterschiedliche
Zahl von Einzelleuchtdioden auf. Die Betriebsspannung der Leuchtdiodeneinheiten unterscheiden
sich also je nach Anzahl der Einzeldioden. Die gezeigte Ausführungsform
ist jedoch auch für
mehrere Leuchtdiodeneinheiten mit der gleichen Anzahl von Einzeldioden
sinnvoll. Denn aufgrund von Herstellungstoleranzen können die
Diodenflussspannungen und somit die Betriebsspannungen der Leuchtdiodeneinheiten
beträchtlich
variieren. Auch in diesem Fall ist eine Anpassung der Ausgangsspannung
Vout des Schaltwandlers 10 an die tatsächlichen Bauteilparameter und
die tatsächlichen
Schaltzustände
sinnvoll.
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Aufgrund
der unterschiedlichen Anzahl von einzelnen Leuchtdioden in den Leuchtdiodeneinheit 20a, 20b und 20c hat
die zweite Leuchtdiodeneinheit 20b mit dem Vierfachen einer
Diodenflussspannung VF die höchste
Betriebsspannung, die dritte Leuchtdiodeneinheit 20c mit
dem Dreifachen einer Diodenflussspannung VF und die erste Leuchtdiodeneinheit 20a mit
dem zweifachen einer Diodenflussspannung VF die kleinste Betriebsspannung.
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Der
Signalverlauf wird ausgehend von einem Zeitpunkt t1 betrachtet,
zu dem sämtliche
Stromquellenschaltungen 21a, 21b und 21c aktiv
sind, d. h. sämtliche
Leuchtdiodeneinheiten 20a, 20b und 20c leuchten.
In dem gezeigten Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Verlustleistungssignale
VA, VB und VC durch die jeweiligen Spannungsabfälle an den Stromquellenschaltungen 21a, 21b und 21c repräsentiert
werden. Die Spannungsabfälle
an den Stromquellenschaltungen 21a, 21b und 21c ergeben sich
jeweils aus der Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout des
Schaltwandlers 10, also der gemeinsamen Versorgungsspannung
der Leuchtdiodeneinheiten, und der Betriebsspannung der jeweiligen
Leuchtdiodeneinheit 20a, 20b oder 20c.
An der Stromquelle 21a der ersten Leuchtdiodeneinheit 20a fällt die
höchste
Spannung (Vout – 2·VF), an
der zweiten Stromquelle 21b der zweiten Leuchtdiodeneinheit 20b die
niedrigste Spannung (Vout – 4·VF) und
an der dritten Stromquellenschaltung 21c der dritten Leuchtdiodeneinheit 20c eine mittlere
Spannung (Vout – 3·VF) ab.
Entsprechend wird an der ersten Stromquellenschaltung 21a die höchste Verlustleistung,
an der zweiten Stromquellenschaltung 21b die niedrigste
Verlustleistung und an der dritten Stromquellenschaltung 21c eine
mittlere Verlustleistung erzeugt. Die Gesamtverlustleistung in allen
Stromquellenschaltungen 21a, 21b und 21c ist
dabei umso niedriger, je niedriger die Ausgangsspannung Vout des
Schaltwandlers 10 ist.
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Diese
Ausgangsspannung Vout muss jedoch ausreichend hoch sein, dass eine
einwandfreie Funktion der Stromquellenschaltungen 21a, 21b und 21c gewährleistet
ist. Wird der Spannungsabfall über
einer der Stromquellenschaltungen zu niedrig, kann sie ihre Funktion
nicht mehr ordnungsgemäß erfüllen und
die zugeordnete Leuchtdiodeneinheit nicht mehr mit dem Nenn-Diodenstrom
versorgen. Diese Mindestspannung an einer Stromquelle wird durch
das Referenzsignal Vref bestimmt. In der Regelschaltung 30 werden,
wie bereits erwähnt,
die Verlustleistungssignale (z. B. die Spannungen an den Stromquellen) VA,
VB und VC mit dem Referenzsignal verglichen. Um eine möglichst
niedrige Gesamtverlustleistung in den Stromquellenschaltungen 21a, 21b, 21c zu
gewährleisten,
sollte die Verlustleistung in derjenigen Stromquellenschaltung,
welche die geringste Verlustleistung aufweist, gerade so groß sein,
wie die minimal für
einen ordnungsgemäßen Betrieb
notwendige Verlustleistung. Zum Zeitpunkt t1 wird in der zweiten Stromquellenschaltung 21b die
geringste Verlustleistung erzeugt. Die Regelschaltung steuert über das Regelsignal
VR den Schaltwandler 10 derart, dass die Ausgangsspannung
Vout gerade so niedrig ist, dass die Verlustleistung in der zweiten
Stromquellenschaltung 21b den minimal notwendigen Wert
aufweist. Beispielsweise bei Verwendung der über den Stromquellenschaltungen
anliegenden Spannungen als Verlustleistungssignale erfolgt die Regelung
derart, dass kleinste der über
dem Stromquellenschaltungen 21a, 21b, 21c anliegenden
Spannungen auf den Wert des Referenzsignals eingeregelt werden.
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Es
sei nun angenommen, dass zu einem Zeitpunkt t2 die zweite Stromquellenschaltung 21b ausgeschaltet
ist, so dass lediglich die Leuchtdiodeneinheiten 20a und 20c leuchten.
In diesem Fall weist die dritte Stromquelleneinheit 21c die
geringste Verlustleistung der aktiven Stromquelleneinheiten auf, und
da die Betriebsspannung der dritten Leuchtdiodeneinheit 20c um
eine Diodenflussspannung geringer ist als die der zweiten 20b,
kann auch die Ausgangsspannung Vout des Schaltwandlers 10 um
eine Diodenflussspannung VF reduziert werden. Die Regelschaltung 30 stellt
die Ausgangsspannung Vout so ein, dass die in der dritten Stromquellenschaltung 21c erzeugte
Verlustleistung gerade der minimal für den Betrieb notwendigen Verlustleistung
entspricht, also im vorliegenden Beispiel Vout = Vref + 3·VF.
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Ist
zu einem Zeitpunkt t3 nur noch die erste Stromquellenschaltung 21a und
die erste Leuchtdiodeneinheit 20a aktiv, so wird die Ausgangsspannung weiter
reduziert. Da die Betriebsspannung der ersten Leuchtdiodeneinheit 20a noch
mal um eine Flussspannung VF geringer ist als vorigen Fall wird
durch die Rückkopplung
die Ausgangsspannung Vout des Schaltwandlers noch einmal um den
Betrag einer Diodenflussspannung VF reduziert (Vout = VREF + 2·VF).
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Sind,
wie zum Zeitpunkt t4 sämtliche
Stromquellenschaltungen 21a, 21b und 21c inaktiv,
ist es für
die erzeugte Verlustleistung irrelevant, welchen Betrag die Ausgangsspannung
Vout annimmt, da ohnehin kein Diodenstrom fließt. Im vorliegenden Fall wurde
angenommen, dass die Regelschaltung 30 den Schaltwandler
derart ansteuert, dass die Ausgangsspannung Vout gegen VREF (Vout
= VREF + 0·VF
= VREF) geht. Die Ausgangsspannung Vout könnte auch ganz abgeschaltet
werden. Das genaue Verhalten ist von der speziellen Ausgestaltung
des Schaltwandlers 10 abhängig.
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Das
Regelverhalten der Regelschaltung 30 wird nur von den aktiven
Stromquellenschaltungen beeinflusst. Wird eine Stromquelle deaktiviert,
muss das zugehörige
Verlustleistungssignal einen solchen Wert annehmen, dass es die
Regelung nicht mehr beeinflusst.
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In 3 ist
beispielhaft anhand der Stromquellenschaltung 21a eine
Realisierungsmöglichkeit der
Stromquellenschaltungen dargestellt. Ein Strom regulierendes Element
ist in dem Beispiel ein Transistor TA mit einem ersten Lastanschluss
und einem zweiten Lastanschluss und einem Steueranschluss. Dessen
erster Lastanschluss ist mit einer Leuchtdiodeneinheit verbunden,
der zweite Lastanschluss über
einen Messwiderstand RA beispielsweise mit dem Referenzpotentialanschluss.
Der Steueranschluss des Transistors ist mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers 210A,
z. B. einem Operationsverstärker,
verbunden. Dem ersten Eingang des Differenzverstärkers 210a ist das
Stromquellensteuersignal VCA zugeführt und der zweite Eingang
ist mit dem zweiten Lastanschluss des Transistors TA verbunden,
so dass am zweiten Eingang des Differenzverstärkers 210a ein Signal
anliegt, das proportional zum Stromquellenstrom ist. Der Sollwert
des Stromquellenstroms wird durch das Stromquellensteuersignal VCA
bestimmt. Der Transistor TA, z. B. ein MOSFET, wird durch den Differenzverstärker 210A gerade
so angesteuert, dass der Stromquellenstrom, repräsentiert durch den Spannungsabfall
am Shunt-Widerstand RA, gerade dem durch das Stromquellensteuersignal
VCA bestimmten Wert entspricht.
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Die
in der Stromquelle erzeugte Verlustleistung ist gleich dem Produkt
aus dem Stromquellenstrom und der an der Stromquelle abfallenden
Spannung, die sich aus der Summe der an dem Transistor TA und an
dem Widerstand RA abfallenden Spannung ergibt. Diese Spannung kann
einfach an dem ersten Lastanschluss des Transistors TA abgegriffen werden,
wie dies auch in der 3 dargestellt ist. Das am ersten
Lastanschluss des Transistors abgegriffene Verlustleistungssignal
VA repräsentiert
also die in der Stromquelle erzeugte Verlustleistung, so lange die
Stromquelle aktiv ist.
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Wird
das Stromquellensteuersignal VCA auf Null gesetzt, wird die Stromquelle
deaktiviert, der Stromquellenstrom beträgt dann Null und an der Stromquelle
fällt die
volle Betriebsspannung ab. In diesem Fall repräsentiert das Verlustleistungssignal VA
nicht mehr die Verlustleistung in der Stromquelle, die dann Null
ist. Die Tatsache, dass der Pegel des Verlustleistungssignals VA
dann dem Wert der Ausgangsspannung Vout entspricht, führt dazu,
dass dieses Verlustleistungssignal der deaktivierten Stromquelle
bei der Regelung in der Regelschaltung 30 nicht mehr berücksichtigt
wird. Dieses Verhalten wird anhand der Erläuterungen zu den folgenden
Figuren deutlich.
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Die 4 zeigt
ein Beispiel der Regelschaltung 30. Die Verlustleistungssignale
VA, VB, VC und das Referenzsignal VREF sind einem Fehlerverstärker 31 zugeführt, der
an seinem Ausgang ein Differenzsignal VD zur Verfügung stellt.
Dieses Differenzsignal wird durch eine optionale Filterschaltung 32 gefiltert.
Diese Filterschaltung 32 stellt an ihrem Ausgang dann das
Regelsignal VR zur Verfügung.
Ist keine Filterschaltung 32 vorgesehen, entspricht das
Regelsignal VR dem Differenzsignal VD.
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Der
Fehlerverstärker 31 ist
dazu ausgebildet, als Differenzsignal an seinem Ausgang die Differenz zwischen
dem Referenzsignal Vref und dem kleinsten der Verlustleistungssignale
VA, VB, VC zu erzeugen. Entspricht der Wert des kleinsten Verlustleistungssignals
genau dem Wert des Referenzsignals, so ist das Differenzsignal Null,
was bedeutet, dass die Ausgangsspannung Vout des Schaltwandlers 10, welche
die Leuchtdiodeneinheiten versorgt, einen optimalen Wert angenommen
hat. Wird eine Stromquelleneinheit deaktiviert, so steigt der Pegel
des Verlustleistungssignals, wie bereits bei der Erläuterung
zur 3 erwähnt,
auf den Pegel der vollen Versorgungsspannung Vout und damit auf
einen höheren
Wert als jedes der Verlustleistungssignale der aktiven Stromquellen.
Da immer nur die Differenz zwischen dem Referenzsignal Vref und
dem kleinsten der Verlustleistungssignale VA, VB, VC entscheidend ist,
ist sichergestellt, dass eine deaktivierte Stromquelle, das Verhalten
des Fehlerverstärkers 31 nicht mehr
beeinflusst.
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Mit
Hilfe der optionalen Filterschaltung 32 kann das Regelverhalten
noch weiter beeinflusst werden. Insbesondere kann in der Filterschaltung 32 ein
integrierendes Bauelement vorhanden sein, so dass die Regelschaltung 30 die
Charakteristika eines Proprotional-Integral-Reglers aufweist. Es
ist jedoch auch ein rein integrierendes Verhalten der Filterschaltung
möglich.
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Die 5 und 6 zeigen
mögliche
Ausführungsformen
des in 4 dargestellten Fehlerverstärkers 32. Der in 5 dargestellte
Fehlerverstärker
weist einen ersten Transistor T1 und für jede Stromquellenschaltung 21a, 21b, 21c einen
weiteren Transistor T2, T3, T4 auf. Jeder der Transistoren, in dem
Beispiel p-MOSFETs, umfasst je einen Steueranschluss, einen ersten
Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss, wobei das Referenzsignal VREF
dem Steueranschluss des ersten Transistors und die Verlustleistungssignale
VA, VB, VC den jeweiligen Steueranschlüssen der weiteren Transistoren
zugeführt
sind. Die ersten Lastanschlüsse
aller Transistoren T1, T2, T3, T4 sind über eine Stromquelle beispielsweise
mit dem Versorgungspotentialanschluss verbunden. Der zweite Lastanschluss
des ersten Transistors T1 ist über
einen ersten Widerstand R1 beispielsweise mit dem Referenzpotentialanschluss
und mit einem ersten Eingang eines Differenzverstärkers 311 verbunden.
Die zweiten Lastanschlüsse
der weiteren Transistoren T2, T3, T4 sind über einen zweiten Widerstand
R2 ebenfalls beispielsweise mit dem Referenzpotentialanschluss und mit
einem zweiten Eingang des Differenzverstärkers 311 verbunden.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 311 stellt
das Differenzsignal VD zur Verfügung. Bei
der in 5 gezeigten Schaltung handelt es sich im Wesentlichen
um einen bekannten Differenzverstärker. Das Potential an den
Schaltungsknoten zwischen den zweiten Lastanschlüssen der weiteren Transistoren
T2, T3 und T4 und dem zweiten Widerstand R2 wird durch jenes Verlustleistungssignal
mit dem niedrigsten Pegel bestimmt, weil jener der weiteren Transistoren
T2, T3, T4, welcher durch das niedrigste Verlustleistungssignal
angesteuert wird, am stärksten
ausgesteuert wird und somit die Differenz zwischen dem Referenzsignal
Vref und dem entsprechenden Verlustleistungssignal bestimmt.
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6 zeigt
eine weitere Möglichkeit
der Realisierung des Fehlerverstärkers 31.
Diese Variante umfasst für
jede Stromquellenschaltung 21a, 21b, 21c eine
Diode DA, DB und DC und einen Differenzverstärker 312, dessen ersten
Eingang das Referenzsignal Vref zugeführt ist und dessen zweiter
Eingang einerseits über
einen Pull-up-Widerstand RP mit dem Versorgungspotentialanschluss
(Vbat) verbunden und andererseits mit den Anoden der Dioden DA,
DB, DC verbunden ist. Statt des Pull-up-Widerstands RP könnte auch
eine Stromquelle verwendet werden. Den Kathoden der Dioden Da, DB,
DC sind die jeweili gen Verlustleistungssignale VA, VB, VC zugeführt. Der
Ausgang des Differenzverstärkers 312 stellt
ebenfalls wieder das Differenzsignal VD zur Verfügung. Das Potential am zweiten
Eingang des Differenzverstärkers 312 wird
mit Hilfe der Dioden wiederum durch das kleinste der Verlustleistungssignale
VA, VB, VC bestimmt. Die in 6 gezeigte Schaltung
erfüllt
somit im Wesentlichen die gleiche Funktion wie Schaltung aus 5,
sie stellt als Differenzsignal VD im Wesentlichen die Differenz
zwischen dem Referenzsignal VREF und dem kleinsten der Verlustleistungssignale
VA, VB, VC zur Verfügung
(bei Vernachlässigung
der Flussspannungen der Dioden DA, DB und DC).