DE102007041131B4

DE102007041131B4 - Anordnung, Verwendung und Verfahren zur Ansteuerung von Licht emittierenden Bauelementen

Info

Publication number: DE102007041131B4
Application number: DE102007041131.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lanchava Bakuri; Robert Kraus; Wjatscheslaw Kutschenko
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: OPTOTRONIC GMBH, DE
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2015-07-23
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: US20090066267A1; DE102007041131A1

Abstract

Anordnung zur Ansteuerung von zumindest zwei in Reihenschaltung verbundener Licht emittierender Bauelemente (1), wobei – die zumindest zwei Bauelemente (1) einen ersten (11) und einen zweiten Anschluss (12) aufweisen, – die Reihenschaltung mit einer Versorgungsspannung (Ub, Gnd) gekoppelt ist, – zu jedem der zumindest zwei Bauelementen (1) jeweils eine Schalteinheit (2) mit jeweiligen Schaltanschlüssen (21, 22) in Parallelschaltung gekoppelt ist und jede Schalteinheit (2) zwei Zustände aufweist und wobei: – die Schalteinheit (2) in einem ersten Zustand das jeweilige Bauelement (1) überbrückt, – die Schalteinheit (2) in einem zweiten Zustand das jeweilige Bauelement (1) nicht überbrückt, – die Schalteinheit (2) derart ausgebildet ist, dass sie durch Zuführen eines Schaltsignals (4) den jeweiligen Zustand ändert, und wobei zwischen einem Versorgungsspannungs- oder einem Bezugspotenzial der Versorgungsspannung (Ub, Gnd) und der Reihenschaltung eine Strombegrenzungseinheit (5) angeordnet ist, der Strom (6) durch die Reihenschaltung der Steuereinheit als Regelgröße zur Verfügung steht und die Steuereinheit (3) einen Eingang aufweist, an dem ein Stromwert (6) der Reihenschaltung zurückgeführt wird, und dieser Stromwert wird aus der Strombegrenzungseinheit (5) erzeugt oder ermittelt, und wobei diejenige Schalteinheit (2), die zuerst vom ersten in den zweiten Zustand umgeschaltet wird, auch zuerst vom zweiten in den ersten Zustand umgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Ansteuerung von zumindest zwei in Reihenschaltung verbundenen Licht emittierenden Bauelementen.
Grundsätzlich werden Lichtquellen in natürliche und künstliche Lichtquellen unterschieden, wobei diese Anmeldung sich lediglich mit künstlichen Lichtquellen befasst.
Zur Erzeugung von Licht sind heutzutage verschiedene Methoden bekannt. Die klassische Lichterzeugung wird durch so genannte thermische Strahler erreicht. Sie liefern eine kontinuierliche Strahlung mit steigender Temperatur. Die bekannteste Lichtquelle dieser Methode ist die Glühlampe. Hier wird ein elektrischer Leiter mittels elektrischen Stroms aufgeheizt. Da dieser elektrische Leiter einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, also als Kaltleiter bezeichnet werden kann, wird nach dem Einschalten der Energieversorgung ein fixer Arbeitspunkt eingestellt. Durch das Aufheizen des elektrischen Leiters, der beispielsweise Wolfram ist, kommt es zur spontanen Emission von Lichtteilchen vorwiegend im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich.
Eine effizientere Variante zur Erzeugung von Licht wird durch nichtthermische Strahler erreicht. Hierzu werden Moleküle oder Atome durch Energiezufuhr in einen angeregten Zustand versetzt. Bei der Rekombination geben die Elektronen die Energie als Strahlung in einer charakteristischen Wellennlänge ab. Als Energiezufuhr können chemische Anregung, zum Beispiel in Leuchtstäbe, elektrische Anregung, beispielsweise angewendet bei Halbleiterbauelementen, Lasern und Leuchtstoffröhren, aber auch Röntgenstrahlung und Radioaktivität gelten. Speziell bei Halbleiterbauelementen unterscheidet man zwischen spontaner und stimulierter Emission von Licht.
Der Unterschied zwischen spontaner und stimulierter Emissionen ist in der Eigenschaft des erhaltenen Lichtes begründet. Bei stimulierter Emission ist die Wellenlänge quasimonochromatisch und die Ausbreitung des Lichtes erfolgt in einer bestimmten Polarisation. Dadurch weist das Licht spezielle Kohärenzeigenschaften auf. Hingegen ist bei spontaner Emission weder Wellenlänge, noch Ausbreitung des Lichtes fest.
Grundsätzlich lässt sich sagen, dass nichtthermische Strahler bei Erzeugung von Licht einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufweisen als thermische Strahler. Wesentliche Ursache hierbei ist der hohe Anteil infraroter Strahlung, es wird sozusagen mehr Energie in Wärme als in Licht umgewandelt.
Typische Anwendungen bei denen nichtthermische Strahler zum Einsatz kommen, sind breit gefächert. Grob skizziert finden solche Lichtquellen Einsatz als Beleuchtungseinrichtung, zum Beispiel als Deckenbeleuchtung, als Taschenlampe und dergleichen. Zu finden sind solche Lichtquellen aber auch in Projektionsgeräten, als Hintergrundbeleuchtung, als Scheinwerfer im Automobil, als Statusanzeige und vieles mehr. Durch die geringere Verlustleistung und dementsprechend höhere Effizienz verdrängen sie vermehrt die thermischen Strahler. Die Effizienz ist hierbei definiert im Wirkungsgrad der Lichtquelle. Dieser wiederum definiert sich durch eingesetzte Energie zu abgegebener Lichtenergie. Eine LED, die als Licht emittierendes Halbleiterbauelement verwendet wird kann heutzutage einen Wirkungsgrad bis zu 60% erreichen, wohingegen eine Glühlampe lediglich 10% aufweist.
In einer typischen Anwendung werden mehrere Licht emittierenden Bauelemente in Reihe verschaltet. Hintergrund hierbei ist die Erhöhung der Leuchtstärke für eine spezielle Anwendung und die möglicherweise homogenere Ausstrahlung einer bestimmten Anstrahlfläche, die durch die Abstrahlcharakteristik eines einzelnen Bauelementes möglicherweise nicht gegeben ist.
Zur Ansteuerung von in Reihe verschalteter Licht emittierender Bauelemente finden heutzutage Stromtreiber ihren Einsatz. Sie stellen beispielsweise die Ansteuerspannung bereit und begrenzen möglicherweise zusätzlich den Strom. Eine Strombegrenzung hierbei ist beispielsweise nötig, um einem Halbleiterbauelement vor Zerstörung oder Überlastung zu schützen. Diese sogenannten Spannungs/Stromtreiberbausteine regeln mitunter den durch die Reihenschaltung fließenden Strom und begrenzen ihn bei Überschreitung eines bestimmten Grenzwertes.
Nachteilig bei dieser Art der Ansteuerung ist eine lange Dunkelphase der Licht aussendenden Bauelemente wenn sie beispielsweise mit einer sich ändernder Spannung, beispielsweise einer Wechselspannung, betrieben werden. Im Folgenden wird eine Wechselspannung als eine elektrische Spannung angesehen, die ihre Polarität mindestens einmal pro Periode wechselt.
Künstliche Lichtquellen haben die Eigenschaft, vor dem Aussenden des Lichtes einen gewissen Betrag an Energie bereits aufzunehmen. Speziell bei Halbleiterbauelementen ist vor Überschreitung einer sogenannten Schwellspannung kein Stromfluss und dementsprechend keine Lichtemission möglich. Diese Phase wird als Anreicherungsphase bezeichnet. Erst bei Überschreitung der Schwellspannung kommt es zu einem Anstiegssprung in der Strom-Spannungskennlinie, was in der Folge zur Lichtemission führt.
Bei der Reihenschaltung von Licht aussendenden Bauelementen addiert sich diese Schwellspannung, da pro Bauelement eine bestimmte Spannung nötig, um dieses Bauelement durchschalten zu können. Diese addierte Schwellspannung muss von einer Ansteuerschaltung überschritten werden, um zur gewünschten Lichtemission zu führen. Da gerade bei der Ansteuerung mittels Wechselspannung diese erhöhte Schwellspannung bei jeder Periode überschritten sein muss, steht ein sehr viel kleineres Zeitfenster zur Umwandlung von Energie in Licht zur Verfügung. Die angelegte Signalleistung ist demnach wesentlich höher als die erhaltene Lichtleistung, wodurch sich der Wirkungsgrad verschlechtert.
Durch Einsatz von Gleichrichtschaltungen, die die negative Polarität einer Ansteuerwechselspannung in eine positive Polarität umsetzt, beispielsweise ein Zweibrückengleichrichter, wird der Wirkungsgrad grundsätzlich verbessert, da die negative Polarität ebenfalls zur Lichterzeugung genutzt wird. Die erhöhte Schwellspannung bleibt dabei aber grundsätzlich erhalten.
Der Ansatz Licht emittierende Bauelemente einer Reihenschaltung in Abhängigkeit der anliegenden Spannung zu überbrücken findet sich JP 2007123562 A , DE 10 2007 040 152 A1 , WO 2008/060469 A2 und US 2006/0175985 A1 . DE 198 41 490 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Schutz einer Serienschaltung von Leuchtdioden vor Ausfall mit Bypässen aus Zenerdioden. WO 2007/001116 A1 zeigt ein LED-Array mit einer Schaltungsanordnung, deren LEDs schaltbar sind. US 2005/0122064 A1 zeigt eine Licht emittierende Anordnung mit zuschaltbaren LEDs.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine alternative Anordnung, Verwendung und ein Verfahren vorzusehen, welche Licht emittierende Bauelemente ansteuern. Dabei ist im Wesentlichen darauf zu achten, dass die Dunkelphase der Bauelemente, also die Phase in der kein Licht ausgesendet wird, minimal ist, um eine hohe Effizienz zu erzielen.
Die Aufgabe wird mit den in den nebengeordneten Patentansprüchen enthaltenen Maßnahmen gelöst. Hierbei ist eine Anordnung zur Ansteuerung von zumindest zwei in Reihenschaltung verbundener licht emittierender Bauelemente vorgesehen, wobei die zumindest zwei Bauelemente einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweisen, die Reihenschaltung mit einer Versorgungsspannung gekoppelt ist, zu jedem der zumindest zwei Bauelemente jeweils eine Schalteinheit mit jeweiligen Schaltanschlüssen in Parallelschaltung gekoppelt ist und jede Schalteinheit zwei Zustände aufweist. Die Schalteinheit kann in einem ersten Zustand das jeweilige Bauelement überbrücken und in einem zweiten Zustand das jeweilige Bauelement nicht überbrücken. Mittels eines zugeführten Schaltsignals wird der jeweilige Zustand der Schalteinheit geändert.
Zwischen einem Versorgungsspannungs- oder einem Bezugspotenzial der Versorgungsspannung und der Reihenschaltung ist eine Strombegrenzungseinheit angeordnet, wobei der Strom durch die Reihenschaltung der Steuereinheit als Regelgröße zur Verfügung steht und wobei die Steuereinheit einen Eingang aufweist, an dem ein Stromwert der Reihenschaltung zurückgeführt wird, und dieser Stromwert wird aus der Strombegrenzungseinheit erzeugt oder ermittelt.
Diejenige Schalteinheit, die zuerst vom ersten in den zweiten Zustand umgeschaltet wird, wird auch zuerst vom zweiten in den ersten Zustand umgeschaltet.
Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die in Reihe verschalteten Bauelemente grundsätzlich überbrückbar sind. Wird eine Wechselspannung an diese Reihenschaltung angelegt so wird zunächst nur ein Bauelement nicht überbrückt, alle anderen werden überbrückt. Dadurch wird die kleinstmögliche Schwellspannung für die Gesamtreihenschaltung eingestellt. Die angelegte Wechselspannung, die in einem beispielsweise positiven Anstieg stetig wächst, wird das Bauelement zum Lichtaussenden bringen, sobald der Wert der Wechselspannung höher als der Wert der Schwellspannung ist. Dadurch wird eine Wechselspannungsquelle optimal genutzt und eine effiziente Umwandlung der elektrischen Energie in Licht-Strahlung erreicht. Zusätzlich wird durch diese aktive Lasteinstellung erreicht, dass die Verlustleistung minimiert wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Patentansprüchen beschrieben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Anordnung eine Steuereinheit auf, die Schaltsignale für die Schalteinheiten generiert und zusätzlich mit der Versorgungsspannung gekoppelt ist.
Hierdurch wird erreicht, dass die Anordnung Schaltsignale durch eine Steuereinheit generiert, wobei die Versorgungsspannung auch in der Steuereinheit zur Verfügung steht. Hierdurch wird die Steuerung der Schaltsignale zentral koordiniert und der Wechsel der Zustände der Schalteinheiten zu einem genaueren Zeitpunkt durchgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wechseln die Schalteinheit vom ersten in den zweiten Zustand, sobald die Höhe der Versorgungsspannung einen definierten Wert überschreitet und vom zweiten in den ersten Zustand, sobald die Höhe der Versorgungsspannung einen definierten Wert unterschreitet.
In dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird der Zustand genau dann gewechselt, wenn ein definierter Wert über- oder unterschritten wird. Dieser Wert ist abhängig von der Anzahl der reihengeschalteten Bauelemente und der Anzahl der überbrückten Bauelemente. Durch diese Werte wird die tatsächliche Schwellspannung bestimmt und entschieden, wann ein weiteres Bauelement überbrückt oder nicht überbrückt wird. Hierdurch wird eine Effizienzsteigerung erreicht, da die Steuereinheit beispielsweise für jede Situation einen genauen Spannungspunkt festlegt. Dadurch wird erreicht, dass die Schaltung grundsätzlich ab einem frühstmöglichen Zeitpunkt Licht aussendet und die Gesamtdunkelphase der Schaltung minimal ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind weitere Bauelemente in dieser Reihenschaltung vorgesehen, welche wiederum mit zusätzlichen Schaltelementen parallel gekoppelt sein können.
Dadurch wird erreicht, dass die Reihenschaltung nicht auf zwei Halbleiterbauelemente begrenzt ist, sondern eine Kette von n Bauelementen zur Verfügung steht, um eine bestimmte Lichtstärke oder eine bestimmte Ausleuchtung einer Anleuchtfläche zu erreichen.
Es ist zwischen Reihenschaltung und Versorgungsspannung eine Strombegrenzungseinheit eingesetzt. Diese Einheit sorgt in dafür, dass der Strom innerhalb der Reihenschaltung einen möglicherweise kritischen Grenzwert nicht überschreitet und verhindert somit ein Zerstören der Schaltung. Zusätzlich dient die Strombegrenzungseinheit der Arbeitspunktstabilisierung, so dass ein mögliches Überschreiten eines Maximaleffizienzpunktes innerhalb der Kennlinie der Bauelemente nicht überschritten wird.
Der Strom der Reihenschaltung der Steuereinheit wird als Regelgröße zurückgeführt. Durch diese Maßnahme ist eine Echtzeitmessung des Stromes möglich, wodurch die Steuereinheit einen Echtzeitvergleich mit den definierten Bereichen zum Wechseln der Schaltzustände durchführt und auf gegebene Unregelmäßigkeiten sehr schnell reagieren kann. Solche Unregelmäßigkeiten könnten der Ausfall eines Bauelementes oder eine kurzzeitige Überspannung in der Versorgungsspannung sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung in einem Gleichrichtelement (Gleichrichteinheit) umgesetzt. Hierdurch ist es möglich die negative Polarität der Wechselspannung ebenfalls zur Lichterzeugung zu nutzen und die Effizienz der Schaltung weiter zu steigern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuereinheit einen Zufallsgenerator auf. Dieser Zufallsgenerator schaltet die Schaltsignale in einer zufälligen Reihenfolge an die entsprechenden Schalteinheiten, wodurch die ausgewählten Bauelemente überbrückt oder nicht überbrückt werden. Hierdurch wird erreicht, dass alle Bauelemente möglichst gleich oft überbrückt bzw. nicht überbrückt werden und dadurch möglichst gleiche Alterung erfahren.
Die Schaltsignale werden derart angelegt, dass das zuerst im Zustand wechselnde Bauelement auch wieder zuerst im zurückwechselnden Zustand ist.
Hierdurch wird erreicht, dass ein zuerst eingeschaltetes Bauelement auch wieder zuerst ausgeschaltet wird, wodurch alle Bauelemente möglichst gleich oft ausgewählt werden.
Im Erfindungsgedanken enthalten ist eine Verwendung von zwei Anordnungen die entsprechend gegensätzlich betrieben werden.
Hierdurch wird erreicht, dass eine Wechselspannung nicht in eine pulsierende Gleichspannung als Versorgungsspannung umgesetzt werden muss, sondern pro Polarität der Wechselspannung eine Anordnung zugeordnet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei die Figuren gleicher oder gleich wirkender Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß, beziehungsweise übertrieben vereinfacht dargestellt sein.
Es zeigen:
1 ein nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel zur Ansteuerung von Licht aussendenden Bauelementen,
2 eine nicht beanspruchte Weiterbildung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels zur Ansteuerung von Licht aussendenden Bauelementen,
3 eine nicht beanspruchte Weiterbildung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels zur Ansteuerung von Licht aussendenden Bauelementen,
4 eine erfindungsgemäße Weiterbildung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispieles zur Ansteuerung von Licht aussendenden Bauelementen,
5 eine nicht beanspruchte Weiterbildung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels zur Ansteuerung von Licht aussendenden Bauelementen,
6 eine erfindungsgemäße Weiterbildung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels zur Ansteuerung von Licht aussendenden Bauelementen und
7 ein Strom-Zeit Diagramm mit einem Stromverlauf der Versorgungsspannung und dem Strom in der Reihenschaltung.
In 1 ist eine Anordnung aufgezeigt, die zur Ansteuerung von Licht emittierenden Bauelementen 1 vorgesehen ist. In den folgenden Figuren ist das Licht emittierende Bauelement eine Leuchtdiode. Hier sind zwei Leuchtdioden 1 dargestellt. Jede Leuchtdiode weist einen ersten Anschluss 11 und einen zweiten Anschluss 12 auf. Der Anschluss 11 entspricht einem Anodenanschluss und Anschluss 12 einem Kathodenanschluss einer Leuchtdiode. Der Anodenanschluss 11 der zweiten Leuchtdiode 1 mit dem Kathodenanschluss 12 der ersten Leuchtdiode 1 verbunden. Hierdurch ist eine Reihenschaltung von zwei Leuchtdioden 1 gegeben. An dieser Reihenschaltung ist eine Versorgungsspannung UB, GND angelegt. Diese Versorgungsspannung UB, GND ist im einfachen Fall eine Wechselspannung mit unterschiedlichen Polaritäten. Parallel zu jeder LED ist eine Schalteinheit 2 geschalten. Hierbei weist jede Schalteinheit 2 zwei Schaltanschlüsse 21 und 22 auf, wobei Anschluss 21 an den ersten Anschluss 11 und Anschluss 22 an den zweiten Anschluss 12 gekoppelt ist. Zusätzlich zeigt 1 eine Steuereinheit 3 die Schaltsignale 4 generiert. Diese Schaltsignale 4 werden der jeweiligen Schalteinheit 2 zugeführt.
Im Folgenden wird nun die Schaltungsanordnung in ihrer Funktion beschrieben. Ausgehend davon, dass die Versorgungsspannung UB, GND eine Wechselspannung ist, beispielsweise eine sinusförmige Spannung mit einer Spitzenspannung von 5 Volt, die zum Zeitpunkt t = 0 eine Spannungshöhe von Null aufweist. Dieser Spannungspunkt wird als Startpunkt für die Beschreibung angesetzt. Eine Leuchtdiode 1 weist typischerweise eine Schwellspannung von cirka 0,6 bis 0,7 V auf. Ist die Reihenschaltung nicht durch die Schalteinheiten 2 überbrückt, so ist in der Summe die Schwellspannung maximal 1,4 V. Ohne die Schalteinheiten wurde also eine Wechselspannung erst über 1,4 V zum Leuchten der Leuchtdiode führen. Bei einer Spitzenspannung von 5 Volt weisen die Leuchtdioden 1 eine vergleichsweise lange Dunkelphase auf. Ist die Steuereinheit 3 nun so konfiguriert, dass ein Schaltsignal 4 an eine der beiden Schalteinheiten 2 zum Zeitpunkt t = 0 angelegt ist, wodurch die Schalteinheit 2 in einem ersten Zustand, konkret im Überbrückenden Zustand ist und somit die dazugehörige Leuchtdiode 1 überbrückt ist, so ist für die Versorgungsspannung nur noch eine Leuchtdiode in der Reihenschaltung aktiv. Die Schwellspannung verringert sich dementsprechend auf 0,6 bis 0,7 Volt. Erhöht sich zum Zeitpunkt t > 0 die Versorgungsspannung, wodurch bei Ub > 0,7 V die erste Diode anfängt zu leuchten. Bei weiterem Ansteigen der Wechselspannung zu einem Wert Ub > 1,4 V ist es möglich, die zweite Leuchtdiode 1 zur Reihenschaltung hinzuzufügen, wodurch beide Leuchtdioden Licht emittieren. Erreicht die Versorgungsspannung einen wert Ub > 1,4 V legt die Steuereinheit 3 ein Schaltsignal 4 an die Schalteinheit 2, die im Zustand eins, also überbrückend, ist. Durch das angelegte Schaltsignal 4 wechselt die dazugehörige Schalteinheit 2 aus dem Zustand eins in den Zustand zwei und überbrückt nicht mehr die entsprechende Leuchtdiode 1. Somit sind beide LED in Reihe verschaltet. Da UB > 1,4 V und somit 2facher Schwellspannung ist emittieren nun beide Leuchtdioden 1 Licht. Hierdurch wird erreicht, dass die Dunkelphasen der gesamten Reihenschaltung verringert wird und durch gezieltes Zuschalten der in der Reihenschaltung befindlichen Bauelemente ab einem bestimmten Spannungswert die Reihenschaltung möglichst effizient Licht abstrahlt.
In 2 ist eine Weiterbildung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels aufgezeigt. Da sich 1 und 2 stark ähneln, wird in der folgenden Beschreibung nur auf die Unterschiede in 2 hingewiesen. Die Steuereinheit 3 weist zusätzlich Anschlüsse zur Ansteuerung der Versorgungsspannung UB, GND auf. Weiterhin ist zwischen Reihenschaltung und dem Bezugspotential Gnd der Versorgungsspannung Ub eine Strombegrenzungseinheit 5 angeordnet.
Die Schaltung funktioniert im Wesentlichen wie in 1 beschrieben. Die Strombegrenzungseinheit 5 überwacht den Strom der Gesamtreihenschaltung und begrenzt diesen sobald er einen kritischen Maximalwert überschreitet. Im einfachsten Fall ist die Strombegrenzungseinheit ein Widerstand, in einer komplexeren Anordnung ist eine geregelte Stromquelle vorgesehen. Hierdurch wird eine mögliche Zerstörung oder Überbelastung der Leuchtdioden 1 verhindert. Zusätzlich kann im Strombegrenzungselement 5 ein Maximalwert definiert sein, der einen Arbeitspunkt einstellt über den hinaus die Leuchtdioden nicht effizienten betrieben werden können.
In 3 ist eine Weiterbildung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels aufgezeigt. Auch hier ist eine große Ähnlichkeit zur 2 gegeben, wodurch hier wiederum nur auf die Unterschiede zur 2 hingewiesen wird. Zusätzlich zur bereits beschriebenen Ausführung ist eine Gleichrichteinheit 7 zwischen dem Versorgungsspannungspotential Ub und der Steuereinheit 3 beziehungsweise der Leuchtdiodenreihenschaltung vorgesehen. Hierdurch wird eine angelegte Versorgungsspannung, die beispielsweise eine reine Wechselspannung ist, in eine pulsierende Gleichspannung umgesetzt. Somit wird ebenfalls die negative Polarität der Versorgungsspannung Ub, Gnd zur Lichterzeugung verwendet, was eine Steigerung der Effizienz der gesamten Ansteuerschaltung bedeutet. Als Gleichrichteinheit ist beispielsweise eine Zweibrückengleichrichtung vorgesehen.
In 4 ist eine erfindungsgemäße Weiterbildung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels aufgezeigt. Im Unterschied zu 2 weist die Steuereinheit 3 einen Eingang auf, an dem der Stromwert 6 der Reihenschaltung zurückgeführt wird. Dieser Stromwert wird aus der Strombegrenzungseinheit 5 erzeugt oder ermittelt.
Durch diese Zurückführung einer Regelgröße zur Steuereinheit 3 ist eine Echtzeitmessung des Stromes gegeben, wodurch die Steuereinheit 3 auf schnell ändernde Maßnahmen, beispielsweise Stromüberhöhungen oder Ausfall eines Bauelementes reagieren kann. Dieses Ausführungsbeispiel weist eine sehr hohe Effizienz und eine minimierte Dunkelphase der Reihenschaltung auf.
In 5 ist eine alternative Weiterbildung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels aufgezeigt. Im Unterschied zu 2 besteht die Reihenschaltung aus sechs in Reihe verschalteten Leuchtdioden. Jede der Leuchtdioden 1 ist parallel mit einer Schalteinheit 2 gekoppelt und kann durch diese überbrückt werden oder nicht. Die Anzahl der Leuchtdioden ist hierbei in keiner Weise beschränkt, sondern kann abhängig von der jeweiligen Verwendung der Anordnung variieren.
In einer nicht dargestellten Version des Ausführungsbeispiels ist ebenfalls denkbar, dass nicht jede Leuchtdiode 1 mit einer Schalteinheit 2 parallel gekoppelt ist, sondern möglicherweise bestimmte Stränge der reihengeschalteten Leuchtdioden 1 mit jeweils einer Schalteinheit 2 oder nur jede dritte mit einer Schalteinheit verbunden ist.
In 6 ist eine Weiterbildung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels angegeben. Ähnlich wie in 5 sind hier sechs Leuchtdioden dargestellt und durch das Rückführen des Stromwertes 6 stets in einer Echtzeitüberwachung beschaltet.
7 zeigt ein Strom-Zeit Diagramm mit einem Stromverlauf des Versorgungsstroms IB sowie einem Stromverlauf des Stromes durch eine Reihenschaltung mit 25 Leuchtdioden 1 im Zeitraum von 0 bis 10 ms. Die Leuchtdioden sind vom Typ Golden Dragon LA W57B. Also Strombegrenzungseinheit wurde ein Widerstand mit 300 Ohm verwendet. Weiterhin wurden 25 Schalteinheiten mittels einer Steuereinheit geschalten, wobei jede Schalteinheit im ausgeschalteten Zustand einen Ausschaltwiderstand von 50 Mega Ohm aufweist. Als Versorgungsspannung wurden 110 Veff bei 50 Hz angelegt. Die Schalteinheiten stufen die Versorgungsspannung in 6 V Stufen ab. Die gestrichelte Linie zeigt hierbei den Strom I5 durch die Reihenschaltung. Ab einem Eingangstrom IB = 80 mA beginnt ein Stromfluss in der Reihenschaltung. Dadurch wird aufgezeigt, dass bereits nur ein geringer Eingangsstrom (proportional zur Schwellspannung) fließen muss, damit die Reihenschaltung durchschaltet. Je höher der Eingangsstrom IB wird, desto mehr nähert sich der Strom I5 durch die Reihenschaltung an den Eingangsstrom IB an. Beim Maximalwert des Eingangsstroms IB bei ca. 320 mA ist I5 = IB. 7 zeigt, dass eine sehr genaue Approximation des Eingangstromes IB mit dem Reihenschaltungsstrom I5 gegeben ist und dadurch eine Maximaleffizienz bezüglich Eingangsleistung zu Ausgangsleistung erzeugt ist.
Nicht dargestellt ist ein Zufallsgenerator der sich innerhalb der Steuereinheit befinden kann. Hierbei wählt der Zufallsgenerator die Schaltsignale 4 zufällig aus. Dadurch ist erreicht, dass alle LED eine möglichst gleiche Betriebsdaueranzahl aufweisen. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine Ansteuerschaltung innerhalb der Steuereinheit, die es ermöglicht, dass immer zuerst die erste LED eingeschalten und im absteigenden Ast des Eingangsstromes auch wieder zuerst ausgeschalten wird.
Zur Glättung von Spannungs- und Stromspitzen kann vor die Reihenschaltung auch eine Induktivität geschaltet sein, die es ermöglicht, die Eingangsströme und Eingangsspannung zu glätten. Grundsätzlich wird durch die angegebenen Maßnahmen eine Vermeidung die zur Minimierung der Verlustleistung durch aktive Einstellung der Last erreicht.
Insbesondere weist die Steuereinheit 3 zumindest einen Komparator auf, der den aktuellen Stromwert oder Spannungswert mit einem Nominalstromwert oder Nominalspannungswert vergleicht. Ist der aktuelle Stromwert oder Spannungswert größer als der voreingestellte Nominalstromwert oder Nominalstromwert, so steuert die Steuereinheit 3 zumindest eine der Schalteinheiten 2, derart, dass diese Schalteinheit 2 vom überbrückenden Zustand in den überbrückten Zustand geschalten wird.
Zur Entkopplung der Ausgänge und Eingänge der Schalteinheiten weisen die Schalteinheiten insbesondere ein Relais oder Optokoppler auf.
Idealerweise beträgt das Betriebsspannungspotential (220–240)V, wodurch die Anordnung an der Netzspannung betrieben werden kann.

Claims

Anordnung zur Ansteuerung von zumindest zwei in Reihenschaltung verbundener Licht emittierender Bauelemente (1), wobei – die zumindest zwei Bauelemente (1) einen ersten (11) und einen zweiten Anschluss (12) aufweisen, – die Reihenschaltung mit einer Versorgungsspannung (Ub, Gnd) gekoppelt ist, – zu jedem der zumindest zwei Bauelementen (1) jeweils eine Schalteinheit (2) mit jeweiligen Schaltanschlüssen (21, 22) in Parallelschaltung gekoppelt ist und jede Schalteinheit (2) zwei Zustände aufweist und wobei: – die Schalteinheit (2) in einem ersten Zustand das jeweilige Bauelement (1) überbrückt, – die Schalteinheit (2) in einem zweiten Zustand das jeweilige Bauelement (1) nicht überbrückt, – die Schalteinheit (2) derart ausgebildet ist, dass sie durch Zuführen eines Schaltsignals (4) den jeweiligen Zustand ändert, und wobei zwischen einem Versorgungsspannungs- oder einem Bezugspotenzial der Versorgungsspannung (Ub, Gnd) und der Reihenschaltung eine Strombegrenzungseinheit (5) angeordnet ist, der Strom (6) durch die Reihenschaltung der Steuereinheit als Regelgröße zur Verfügung steht und die Steuereinheit (3) einen Eingang aufweist, an dem ein Stromwert (6) der Reihenschaltung zurückgeführt wird, und dieser Stromwert wird aus der Strombegrenzungseinheit (5) erzeugt oder ermittelt, und wobei diejenige Schalteinheit (2), die zuerst vom ersten in den zweiten Zustand umgeschaltet wird, auch zuerst vom zweiten in den ersten Zustand umgeschaltet wird.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (3) die Schaltsignale (4) für die Schalteinheiten (2) generiert und mit der Versorgungsspannung (Ub, Gnd) gekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Schalteinheit (2) mittels des Schaltsignals (4) vom ersten in den zweiten Zustand umgeschaltet wird, sobald die Höhe der Versorgungsspannung (Ub, Gnd) einen definierten Wert überschreitet und die Schalteinheit (2) mittels des Schaltsignals (4) vom zweiten in den ersten Zustand umgeschaltet wird, sobald die Höhe der Versorgungsspannung (Ub, Gnd) einen definierten Wert unterschreitet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Reihenschaltung durch weitere Bauelemente (1) erweiterbar ist.
Anordnung nach Anspruch 4, wobei die weiteren Bauelemente (1) jeweils eine weitere Schalteinheit (2) aufweisen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versorgungsspannung (Ub, Gnd) eine Wechselspannung ist und mittels einer Gleichrichteinheit (7) in eine pulsierende Gleichspannung umgesetzt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Steuereinheit (3) einen Zufallsgenerator beinhaltet, der die Reihenfolge der umschaltenden Schaltsignale (4) zufällig auswählt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement (1) eine LED ist.
Verwendung von zwei Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Spannung mit zwei verschiedenen Polaritäten angelegt wird und wobei die erste Polarität der Spannung die Versorgungsspannung (Ub, Gnd) der ersten Anordnung ist und die zweite Polarität der Spannung die Versorgungsspannung (Ub, Gnd) der zweiten Anordnung ist.
Verfahren zur Ansteuerung von Licht aussendenden Bauelementen, wobei – die Bauelemente in einer Reihenschaltung angeordnet sind, – der Reihenschaltung eine Versorgungsspannung zugeführt wird, – eine Schalteinheit parallel zu jedem Bauelement angeordnet ist, – jede der Schalteinheiten von einem ersten, das Bauelement überbrückenden, Zustand in einen zweiten, das Bauelement nicht überbrückenden, Zustand versetzbar ist, – den Schalteinheiten ein Steuersignal zugeführt wird, um einen Wechsel des Zustands der jeweiligen Schalteinheit zu veranlassen, – das Steuersignal in Abhängigkeit des Spannungswerts der zugeführten Versorgungsspannung zugeführt wird, – zwischen einem Versorgungsspannungs- oder einem Bezugspotenzial der Versorgungsspannung (Ub, Gnd) und der Reihenschaltung eine Strombegrenzungseinheit (5) angeordnet ist, – der Strom (6) durch die Reihenschaltung der Steuereinheit als Regelgröße zur Verfügung steht, und die Steuereinheit (3) einen Eingang aufweist, an dem ein Stromwert (6) der Reihenschaltung zurückgeführt wird, und dieser Stromwert wird aus der Strombegrenzungseinheit (5) erzeugt oder ermittelt, – wobei diejenige Schalteinheit (2), die zuerst vom ersten in den zweiten Zustand umgeschaltet wird, auch zuerst vom zweiten in den ersten Zustand umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei zur Generierung der Schaltsignale der Strom durch die Reihenschaltung als Parameter in der Steuereinheit zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine Wechselspannung als Versorgungsspannung zur Verfügung steht und mittels Gleichrichteinheit in eine pulsierende Gleichspannung gewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei die Schaltsignale derart generiert werden, dass alle Schalteinheiten gleich oft ihre Zustände wechseln.