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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung und ein Verfahren
zum Betrieb von Leuchtdioden mittels Schaltreglern zur Bereitstellung der
Betriebsspannung für
die LEDs.
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Es
ist grundsätzlich
bekannt, Schaltregler, insbesondere Tiefsetzsteller (Buck-Konverter)
zur Ansteuerung von Leuchtdioden zu verwenden. Dabei steuert eine
Steuereinheit einen getakteten Halbleiter-Leistungsschalter an, mittels dessen
in dessen eingeschalteten Zustand eine Induktivität energetisiert
wird, wobei sich die Energie der Induktivität im ausgeschalteten Zustand
des Schalters dann über die
Leuchtdiodenstrecke entlädt.
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Es
kommt somit durch die Leuchtdioden zum einem Zick-Zackförmigen Stromverlauf
um einen konstanten Mittelwert herum, wobei sich im eingeschalteten
Zustand des Schalters jeweils eine ansteigende Flanke und im ausgeschalteten
Zustand des Schalters eine abfallende Flanke des Leuchtdiodenstroms
ergibt.
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Somit
kann der zeitliche Mittelwert des Leuchtdiodenstroms durch entsprechende
Taktung des Leistungsschalters eingestellt werden. Zur Regelung
des Mittelwerts des Leuchtdiodenstroms muss dementsprechend der
Strom durch die Leuchtdioden auch erfasst werden.
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In 1 ist
schematisch ein Beispiel für
eine Schaltung zum geregelten Betrieb für Leuchtdioden dargestellt.
Im hier gezeigten Beispiel gemäß 1 ist
als Grundschaltung für
LED-Module ein erster Buck-Konverter 10 dargestellt. Für den Betrieb
zumindest einer Leuchtdiode 7 wird der Schaltung eine Eingangs-Gleichspannung
V1 zugeführt,
die natürlich auch
eine gleichgerichtete Wechselspannung sein kann.
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Eine
Serienschaltung zwischen einem Schalter 5, beispielsweise
einem Halbleiter-Leistungsschalter insbesondere einem MOSFET, und
einer Freilaufdiode 2 energetisiert in eingeschalteten Zustand
des Schalters 5 eine Induktivität 3 mittels des durch
den Schalter 5 fließenden
Stroms. Im ausgeschalteten Zustand des Schalters 5 entlädt sich
die in der Induktivität 3 gespeicherte
Energie in Form eines Stromes durch die zumindest eine Leuchtdiode 7
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Der
durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 fließende Strom
kann an einem Shuntwiderstand 6 durch eine entsprechende
Sensorik gemessen werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass an
dem Shuntwiderstand 6 der Strom nur während der Einschaltphase des
Schalters 5 gemessen werden kann. In der Freilaufphase
fließt
der Strom durch die Freilaufdiode 2, die zumindest eine
Leuchtdiode 7 und die Induktivität 3 und ist für eine am
Shuntwiderstand 6 angeschlossene Sensorik nicht detektierbar.
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Um
jedoch einen gewissen Rippel, d. h. einen bestimmten zeitlichen
Mittelwert des Leuchtdiodenstroms einhalten zu können, wird eine Information
auch über
den Kurvenverlauf des Stromes während
der Freilaufzeit benötigt.
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Eine
Möglichkeit,
dies zu erreichen, ist das Vorsehen eines weiteren Stromsensors,
durch welchen der Strom während
der Freilaufphase gemessen werden kann. Nachteilig hierbei ist jedoch
die aufwändige
Schaltung und Sensorik sowie die damit verbundenen Fehlerquellen.
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Eine
weitere Möglichkeit
ist es, die Elemente der Schaltung so anzuordnen, dass sowohl in
der Einschaltphase als auch in der Freilaufphase der Strom detektiert
werden kann. Allerdings ist eine solche Schaltung sehr aufwändig.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsschaltung
für wenigstens eine
Leuchtdiode sowie ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode
bereitzustellen, welcher auf einfache Art und Weise eine Konstanthaltung
des Diodenstroms und somit der Diodenleistung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung für wenigstens
eine Leuchtdiode, aufweisend eine Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung
zugeführt
wird und mittels einem durch eine Steuereinheit getakteten Schalter
eine Versorgungsspannung für
die wenigstens eine Leuchtdiode bereitstellt, und einen mit der
Steuereinheit verbundenen Stromsensor zum Erfassen des durch die
zumindest eine Leuchtdiode fließenden Stromes
während
der Einschaltphase des Schalters, wobei die Steuereinheit die Zeitdauer
zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters
abhängig
von dem mittels des Stromsensors während der Einschaltphase erfassten Strom
bestimmt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb
wenigstens einer Leuchtdiode mittels einer Schaltreglerschaltung,
der eine Gleichspannung zugeführt
wird und die mittels eines getakteten Schalters eine Versorgungsspannung
für die
wenigstens eine Leuchtdiode bereitstellt, umfassend die Schritte
Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode (LED) fließenden Stromes während der
Einschaltphase des Schalters und Bestimmen der Zeitdauer zwischen
einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters
abhängig
von dem während
der Einschaltphase erfassten Strom.
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Vorteilhafterweise
berechnet die Steuereinheit mittels zumindest eines durch den Stromsensor erfassten
Stromwertes den Stromwert am Ende der Freilaufphase des Schalters.
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Vorteilhafterweise
vergleicht die Steuereinheit den berechneten Stromwert am Ende der
Freilaufphase mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht.
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Des
Weiteren verändert
vorteilhafterweise die Steuereinhit die Zeitdauer zwischen einem
Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters nicht,
falls der berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase dem Sollwert
entspricht.
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Andernfalls
erhöht
vorteilhafterweise die Steuereinhit die Zeitdauer zwischen einem
Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters, falls
der berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase größer als
der Sollwert ist.
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Andernfalls
verringert vorteilhafterweise die Steuereinhit die Zeitdauer zwischen
einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters, falls
der berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase kleiner als der
Sollwert ist.
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Bevorzugt
wartet die Steuereinheit beginnend mit der Einschaltphase des Schalters
eine Ausblendzeit ab und erfasst unmittelbar nach der Ausblendzeit
mittels des Stromsensors einen ersten Stromwert.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Steuereinheit den Stromwert am Ende der
Freilaufphase mittels des ersten Stromwertes berechnet durch IA = IB,wobei
IA der Stromwert am Ende der Freilaufphase und
IB der erste Stromwert ist.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Steuereinheit einen zweiten Stromwert am
Ende der Einschaltphase bestimmt und die Steuereinheit den Stromwert
am Ende der Freilaufphase mittels des ersten und zweiten Stromwertes
berechnet aus
wobei I
A der
Stromwert am Ende der Freilaufphase, I
B der
erste Stromwert und I
D der zweite Stromwert
ist.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Steuereinheit nach Erfassen des ersten
Stromwertes erneut die Dauer der Ausblendzeit abwartet und unmittelbar
nach der zweifachen Ausblendzeit einen dritten Stromwert erfasst und
dass
die Steuereinheit den Stromwert am Ende der Freilaufphase mittels
des ersten und dritten Stromwertes berechnet aus IA = 2·IB – IC,wobei IA der
Stromwert am Ende der Freilaufphase, IB der
erste Stromwert und IC der dritte Stromwert
ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der
detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Hierbei zeigt
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1 einen
bekannten Buck-Konverter für Leuchtdioden,
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2 den
typischen Stromverlauf durch ein Leuchtdiodenmodul in einem Buck-Konverter,
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3 eine
erfindungsgemäße Betriebsschaltung
für Leuchtdioden,
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4 und 5 Details
bezüglich
des Stromverlaufs durch das Leuchtdiodenmodul, und
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6 ein
Flussdiagramm mit den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betrieb des Leuchtdiodenmoduls.
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2 zeigt
die typischen Spannungs- und Stromverläufe in einem Buck-Konverter,
bzw. im Fall einer Rechteckspannung. In 2 ist hierfür entlang der
X-Achse die Zeit dargestellt und entlang der Y-Achse der Spannungsverlauf
bzw. der Stromverlauf durch die zumindest eine Leuchtdiode 7.
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Durch
entsprechendes Ansteuern des Schalters 5 wird die Betriebsschaltung
mit einer Recheckspannung versorgt, d. h. während der Einschaltphase E
des Schalters 5 über
eine Zeitspanne tOn wird die Betriebsschaltung
mit einer bestimmten Spannung versorgt, und während einer Freilaufphase F über eine
Zeitspanne tOff, während welcher der Schalter 5 offen
ist, wird die Schaltung nicht durch die Spannungsquelle versorgt.
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Durch
die bereits erläuterte
Induktivität 3 ergibt
sich an der zumindest einen Leuchtdiode 7 ein Stromverlauf
wie in 2 dargestellt. Während der Einschaltphase E
des Schalters 5 steigt der Strom durch die zumindest eine
Leuchtdiode 7 an und während
der darauffolgenden Freilaufphase F sinkt der Strom durch die zumindest
eine Leuchtdiode 7 wieder ab. Allerdings entsteht beim
Einschalten des Schalters 5 zu Beginn der Einschaltphase
E durch ein Snuber-Netzwerk oder die parasitäre Kapazität des Schalters 5 eine
Stromspitze. Nach dessen Abklingen steigt der Strom aufgrund der
Induktivität 3 linear
an. Nach dem Ausschalten des Schalters 5 läuft sich
die Induktivität über die
Last und die Diode 2 frei. Die Zeitdauer während der
Stromspitze wird als Blanking-Time tblk bzw.
als Ausblendzeit tblk bezeichnet.
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Um
einen konstanten zeitlichen Mittelwert für den Leuchtdiodenstrom zu
erhalten, ist es notwendig, den Stromwert am Ende der Freilaufzeit
zu kennen, da in Abhängigkeit
von diesem Stromwert die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und
einem folgenden Einschalten des Schalters 5 festgelegt wird.
Da aber wie bereits erläutert,
der Freilaufstrom nicht über
den Shuntwiderstand wegläuft,
kann dieser Strom nicht detektiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung umgeht dieses Problem, indem der Strom direkt
nach dem Einschalten des Schalters 5 detektiert wird und
durch die Messwerte des Stromes während der Einschaltzeit E auf
den Freilaufstrom rückgeschlossen
wird.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung 1 für den Betrieb
wenigstens einer Leuchtdiode 7. Die Schaltung entspricht
hierbei dem ersten Buck-Konverter 11, wie er in 1 dargestellt ist
und bereits erläutert
wurde. Erfindungsgemäß ist hierbei
zusätzlich
ein Sensor 12 vorgesehen, welcher geeignet ist, den mittels
des Shuntwiderstands 6 gemessenen Strom zu detektieren
und den Wert an eine Steuereinheit 13 weiterzuleiten. Die
Steuereinheit 13 steuert den Schalter 5 an und
ist des Weiteren geeignet, auf Basis der von dem Sensor 12 übermittelten
Strommesswerte die Ausschaltzeitdauer tOff sowie
die Einschaltzeitdauer tOn des Schalters 5 entsprechend
zu bestimmen. Die Bestimmung der Ausschaltzeitdauer tOff durch
die Steuereinheit 13 wird im Folgenden im Detail erläutert.
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In 4 ist
nochmals der Spannungs- und Stromverlauf in einem Leuchtdiodenmodul
dargestellt. Eine erste Möglichkeit,
auf den Strom IA am Ende der Freilaufzeit
rückschließen zu können, ist, nach
der Ausblendzeit, d. h. der Blankingtime tblk,
einen ersten Stromwert IB zu messen. Bei
dieser ersten Möglichkeit
wird davon ausgegangen, dass tblk viel kleiner
ist als tOn und somit der nach der Blankingtime gemessene
Strom IB ungefähr dem Strom IA am
Ende der Freilaufzeit entspricht. Somit kann der Stromwert am Ende
der Freilaufphase mittels der ersten Stromwertes berechnet werden
aus IA = IB.
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Der
so berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase IA wird
mit einem Sollwert verglichen und falls IA größer als
der gewünschte
Sollwert ist, so wird beim nächsten
Takt die Zeitdauer tOff zwischen einem Ausschalten
und einem Folgenden Anschalten vergrößert. Ist der Strom IA kleiner als der gewünschte Sollwert, so wird hingegen
beim nächsten Takt
tOff verkürzt. Entspricht der Strom IA ggf. auch innerhalb vorbestimmter Toleranzwerte
dem gewünschten
Sollwert, so wird beim nächsten
Takt tOff unverändert belassen.
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Eine
zweite Methode zur Bestimmung des Stromes am Ende der Freilaufphase
I
A wird im Folgenden erläutert. Diese Methode kann dann
Anwendung finden, falls die Blankingtime t
blk nicht
gegenüber
der Einschaltzeitdauer t
On vernachlässigbar
ist und durch die oben angenommene Näherung die Genauigkeitsanforderungen
an I
A nicht erfüllt werden können oder
im Fall, dass I
A besonders genau bestimmt
werden muss. Für
diesen Fall ist es möglich, noch
einen zweiten Stromwert I
D am Ende der Einschaltphase
E zu messen. Der Strom I
A am Ende der Freilaufphase
kann dann folgendermaßen
berechnet werden:
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Diese
Berechnung beruht auf dem Prinzip, dass der Strom nach dem Einschalten
des Schalters 5 linear ansteigt und somit durch zwei Messungen des
Stromverlaufs IB und ID auf
den Strom IA am Ende der Freilaufphase zurückgerechnet
werden kann.
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Der
Rechenaufwand für
die oben genannte zweite Methode ist insbesondere bei einer Digitalschaltung
verhältnismäßig kompliziert,
da sowohl Division als auch Multiplikation durchgeführt werden muss.
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Erfindungsgemäß wird daher
eine dritte Methode vorgeschlagen, welche auf der Messung eines dritten
Stromwertes IC basiert. Dies ist schematisch
in 5 dargestellt. Für diese Methode wird ebenfalls die
Blankingtime tblk abgewartet und dann der
erste Stromwert am Ende der Blankingtime IB erfasst.
Anschließend
wird nochmals die Blankingtime tblk abgewartet
und der dritte Stromwert IC erfasst. Da
die Differenz aus IC und IB,
also IC – IB,
auf Grund es linearen Spulenstroms gleich der Differenz IB – IA, ist, kann IA berechnet
werden aus: IA = IB – (IC – IB) = 2·IB – IC.
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Somit
lässt sich
auch in einer Digitalschaltung der Stromwert IA am
Ende der Freilaufphase verhältnismäßig einfach
berechnen, da sich die Berechnung im Digitalbereich auf eine Bitverschiebung
sowie eine Subtraktion reduziert.
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Durch
die vorliegende Erfindung ist sichergestellt, dass der Stromfluss
durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 möglichst
nie auf Null abfällt,
d. h. die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den continuous
conduction mode. Somit ergibt sich ein möglichst kleiner Rippel des
Stromverlaufs durch die zumindest eine Leuchtdiode 7.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist in der Übersicht
in 6 nochmals schematisch dargestellt.
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Das
Verfahren beginnt in Schritt S0 mit dem Ende der Freilaufphase F.
Im folgenden Schritt S1 gibt die Steuereinheit 13 das Signal
für die
Einschaltphase an den Schalter 5 aus. Im folgenden Schritt
S2 wird die Ausblendzeit, d. h. die Blankingtime tblk abgewartet.
Im folgenden Schritt S3, welcher auch aus mehreren Unterschritten
besteht kann, zumindest ein Stromwert, d. h. ein Messwert des Stromes
während der
Einschaltphase, durch den Shuntwiderstand 6 und die Sensorik 12 aufgenommen.
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Im
folgenden Schritt S4 berechnet die Steuereinheit auf Basis der übermittelten
Stromwerte den Rücklaufstrom,
d. h. den Strom IA am Ende der Freilaufphase.
Im folgenden Schritt S5 wird überprüft, ob der
Rücklaufstrom
einen vorgegebenen Sollwert entspricht. Falls dies der Fall ist,
wird im folgenden Schritt S7 keine Veränderung der Ausschaltzeit tOff vorgenommen.
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Andernfalls,
falls im Schritt S5 festgestellt wird, dass der Rücklaufstrom
IA nicht einem Sollwert entspricht, wird
im folgenden Schritt S6 überprüft, ob der
Rücklaufstrom
IA größer als
der Sollwert ist. Falls dies der Fall ist, wird in einem folgenden
Schritt S8 die nächste
Ausschaltzeit erhöht,
andernfalls wird in einem folgenden Schritt S9 die folgende Ausschaltzeit
verringert. Hierbei ist die Ausschaltzeit die Zeitdauer zwischen
dem Ausschalten und dem folgenden Einschalten des Schalters 5.
Das Verfahren endet in Schritt S10.
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Die
in Schritt S4 vorgenommene Berechnung kann hierbei auf einer der
drei genannten Methoden basieren in Abhängigkeit von den Voreinstellungen
und den aufgenommenen Messwerten.
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Die
vorliegende Betriebsschaltung und das vorliegende Verfahren zum
Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode ergibt also, dass unabhängig von
der Last, beispielsweise unabhängig
von der Anzahl der versorgten Leuchtdioden, der Stromverlauf immer zwischen
einem Wert Imax und einem Wert Imin gehalten wird, d. h. dass immer bei demselben
Wert Imin > 0
das Wiedereinschalten des Schalters 5 erfolgt. Ein Vorteil
des durch die Erfindung garantierten verhältnismäßig geringen Rippels, d. h.
der Differenz zwischen Imin und Imax, also Imin–Imax ist es, dass die Leuchtdiode im Wesentlichen
mit einem gleichbleibenden Strom versorgt wird, so dass sich die
Farbverschiebung bei sehr unterschiedlichen Leuchtdiodenströmen nicht
zeigt. Dies ist ein Nachteil von Schaltungen, die im discontinuous
mode arbeiten, bei dem also der Leuchtdiodenstrom auf Null absinkt und
ggf. auch eine zeitlang auf Null verbleibt, bevor der Schalter wieder
eingeschaltet wird.
