DE102008039409A1

DE102008039409A1 - Schaltungen zum Dimmen von Leuchtdioden (LEDs)

Info

Publication number: DE102008039409A1
Application number: DE102008039409A
Authority: DE
Inventors: Peter Marx
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-02-25
Also published as: DE102009004330A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Schaltungen zum Dimmen von Leuchtdioden (LEDs). Vier Dimmschaltungen (Fig. 2 Fig. 2 dient zum Dimmen von neuartigen Wechselstrom-LEDs nach Fig. 1. Mit der Schaltung nach Fig. 3 können LED-Ketten mit Gleichstrom betrieben und gedimmt werden. Die Schaltungen nach Fig. 4 und Fig. 5 erlauben die Dimmung von LED-Ketten mit stromgeregeltem Gleichstrom.

Description

Die Erfindung betrifft Schaltungen zum Dimmen von Leuchtdioden (LEDs).
Leuchtdioden stehen kurz vor dem Masseneinsatz in der Allgemeinbeleuchtung. Bislang war neben dem Preis auch der Beschaltungsaufwand eines der wesentlichen Hemmnisse zum breiten Erfolg, denn die LEDs waren auf Niedervolt-Gleichstrom-Betriebsgeräte angewiesen, d. h. es war bisher unmöglich, LEDs ohne spezielles Versorgungsnetzteil direkt an der Netzsteckdose zu betreiben.
In der Offenlegungsschrift DE 19950388 A1 sind Schaltungen zum Betrieb einer Vielzahl von LEDs in Antiparallelschaltung zum Betrieb mit Wechselstrom erläutert.
Inzwischen gibt es diese LED-Antiparallelschaltung mit einer großen Anzahl von LEDs auch direkt auf einem Halbleiter-Chip integriert, sog. Wechselstrom-LEDs (AC-LED). Diese können dann über ohmsche Vorwiderstände direkt an der Netzspannung betrieben werden. Derartige LEDs werden z. B. von der Firma Seoul-Semiconductors unter der Bezeichnung „ACRICHE” angeboten.
Die vorliegende Erfindung beschreibt nun Schaltungen zum Dimmen von Leuchtdioden. Bekannt ist das Dimmprinzip mittels Pulsweitenmodulation (PWM). Dieses Prinzip ist jedoch weniger geeignet zum Dimmen der neuartigen AC-LEDs.
1 zeigt das Prinzip der AC-LED, (A – B). Je nach Höhe der Netzspannung variiert die Zahl der auf dem Chip integrierten LEDs zwischen etwa 2 × 60 LEDs (230 V) bzw. etwa 2 × 30 LEDs (110 V). Die Vorwärtsspannung (Fluss-Spannung) einer einzelnen LED liegt bei etwa 3,5 V. Der Vorwiderstand (im kΩ-Bereich) zur erforderlichen Strombegrenzung wird gemäß dem gewünschten Strom eingestellt. Übliche Werte sind: 20 mA bis 40 mA.
Es werden vier Dimmschaltungen erörtert. In 2 ist die Variante 1 dargestellt.
Der Strom durch die AC-LED kann z. B. mittels eines Stellgliedes S, das über einen Zweiweggleichrichter in Reihe mit der AC-LED geschaltet ist, durch Verändern seiner Steuerspannung (bzw. Steuerstrom) mittels eines Spannungsteilers, bestehend aus dem Widerstand R1 und dem Potentiometer P verändert werden. Es kann auch anstelle von P ein Digitalpotentiometer eingefügt werden, um eine Fernsteuerung der Dimmung zu erzielen.
Für das Stellglied S kann z. B. ein selbst sperrender MOS-FET-Transistor eingesetzt werden, wobei der Gate-Anschluss mit R2, der Source-Anschluss mit dem Minuspotential (Masse) und der Drain-Anschluss mit der Plus-Leitung verbunden ist.
Je nach Dimensionierung des Stellgliedes S (z. B. Leistungstransistor) können auch mehrere AC-LEDs an den Anschlusspunkten A und B parallel geschaltet werden.
Von entscheidender Bedeutung für die einwandfreie Funktion der Dimmung ist eine möglichst konstante Spannungsversorgung dieses Spannungsteilers. Diese erfolgt über die Diode D direkt aus der Netzspannung. Die Kondensatoren C1 und C2 dienen im Zusammenwirken mit R1 und R2 zur Glättung der einweggleichgerichteten Netzspannung, so dass der Transistor mit einem weitgehend unmodulierten DC-Signal angesteuert wird.
Entsprechend dem Pegel dieses DC-Signals kann der Transistor vom gesperrten bis zum leitenden Zustand gesteuert werden und damit der Strom durch die AC-LED und somit auch die Helligkeit von 0% bis 100% variiert (gedimmt) werden.
Durch den zeitlichen Ladevorgang der Kondensatoren C1 und C2 beim Einschalten der Netzspannung wird ein augenfreundlicher, angenehmer Softstart der AC-LED erreicht. Die Lichtwelligkeit (Grundschwingung) der AC-LED beträgt 100 Hz (bzw. 120 Hz bei 60 Hz-Netzfrequenz) und liegt deutlich über der Flimmerverschmelzungsfrequenz des menschlichen Auges. Ein Flimmern wird deshalb nicht wahrgenommen, wie es auch bei den bekannten Leuchtstofflampen, die mit Vorschaltdrosseln an der Netzspannung betrieben werden, der Fall ist.
Bei manchen Anwendungen wird ein unmoduliertes Gleichlicht gefordert, um z. B. den bekannten Stroboskop-Effekt zu vermeiden, der bei rotierenden Maschinen einen Stillstand vortäuschen und dadurch Unfälle zur Folge haben kann.
Für diesen Anwendungsfall ist die Schaltungsvariante 2 in 3 vorteilhaft anzuwenden. Hier wird die Netzspannung zunächst gleichgerichtet und mittels R1 und C1 geglättet. Es folgt dann die LED-Reihenschaltung, LED-Kette (C – D) mit Vorwiderstand, wobei auch mehrere LED-Reihen parallel geschaltet werden können, diese dürfen aber wegen der Gleichrichtung nicht antiparallel geschaltet werden. Wie in der Variante 1 folgt dann wieder ein Stellglied (Transistor), mit dem über einen Spannungsteiler, der über die Diode D direkt mit der Netzspannung verbunden ist, der Strom durch die LED-Anordnung (C – D) von 0% bis 100% variiert werden kann. Es kann auch hier anstelle von P ein Digitalpotentiometer eingefügt werden, um eine Fernsteuerung der Dimmung zu erzielen.
Durch die Versorgung der LEDs mit Gleichspannung entsteht nun das unmodulierte Gleichlicht.
Je nach Dimensionierung des Stellgliedes S (z. B. Leistungstransistor) können auch hier mehrere LED-Ketten an den Anschlusspunkten C und D parallel geschaltet werden.
Man kann in dieser Schaltungsvariante auch eine AC-LED einsetzen, nachteilig ist hier jedoch, dass dann nur die in positiver Flussrichtung des Stroms gepolte LED-Kette Licht emittiert und die dazu antiparallele LED-Kette gesperrt ist.
Wenn der gewählte LED-Strom, der einem bestimmten Dimmwert, z. B. 40% Helligkeit entspricht, nun unabhängig von Schwankungen der Netzspannung sein soll – die zulässige Änderung der Netzspannung beträgt bei 230 V +/– 10% – kommt die Schaltungs-Variante 4 zur Anwendung.
Hier wird ein modifizierter Spannungsteilers eingesetzt, bestehend aus R1, R2 und der Zenerdiode Z, der wieder über die Diode D mit der Netzspannung verbunden ist, sowie ein Operationsverstärker, um eine Konstantstrom-Regelung des LED-Stroms zu erreichen.
Der LED-Strom wird eingestellt gemäß der Formel: I_LED = U_z/R_p mit U_z = Spannung über der Zenerdiode Z, R_p = eingestellter Widerstand am Potentiometer P. Es kann auch hier anstelle von P ein Digitalpotentiometer eingefügt werden, um eine Fernsteuerung der Dimmung zu erzielen.
Die einfachste Methode, einen konstanten LED-Strom zu wählen ist in 5 dargestellt. Es wird ein selbst leitender FET benutzt, wobei der Strom durch den Widerstand des Potentiometers P bestimmt wird. Ein steigender Strom erhöht die Gate-Spannung und sperrt den FET soweit, dass sich der Strom auf einen konstanten Wert einstellt. Ein sinkender Strom öffnet den FET entsprechend. Es kann auch hier anstelle von P ein Digitalpotentiometer eingefügt werden, um eine Fernsteuerung der Dimmung zu erzielen. Mittels einer Stromspiegelschaltung können in den Schaltungen nach 4 und 5 weitere LED-Ketten parallel geschaltet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19950388 A1 [0003]

Claims

Dimmschaltung für Leuchtdioden gemäß 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch die Wechselstrom-LED (AC-LED) nach 1 mittels eines Stellgliedes S (z. B. ein selbst sperrender MOS-FET-Transistor), das über einen Zweiweggleichrichter in Reihe mit der AC-LED geschaltet ist, durch Verändern seiner Steuerspannung (bzw. des Steuerstroms) mittels eines Spannungsteilers, bestehend aus dem Widerstand R1 und dem Potentiometer P verändert werden kann, wobei eine möglichst konstante Spannungsversorgung des Spannungsteilers dadurch erfolgt, dass dieser direkt über die Diode D mit der Netzspannung verbunden ist.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren C1 und C2 im Zusammenwirken mit R1 und R2 zur Glättung der einweggleichgerichteten Netzspannung dienen und das Stellglied (Transistor) dadurch mit einem weitgehend unmodulierten DC-Signal angesteuert wird.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des analogen Potentiometers P ein Digitalpotentiometer eingefügt wird, um eine Fernsteuerung der Dimmung zu erzielen.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Stellglied S ein selbst sperrender MOS-FET-Transistor eingesetzt wird, wobei der Gate- Anschluss mit R2, der Source-Anschluss mit dem Minuspotential (Masse) und der Drain-Anschluss mit der Plus-Leitung verbunden ist.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Dimensionierung des Stellgliedes S (z. B. Leistungstransistor) mehrere AC-LEDs an den Anschlusspunkten A und B parallel geschaltet werden.
Dimmschaltung für Leuchtdioden gemäß 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzspannung zunächst zweiweggleichgerichtet sowie mittels R3 und C3 geglättet wird und der Strom durch die LED-Reihenschaltung (LED-Kette: C – D mit Vorwiderstand) mittels eines Stellgliedes S (z. B. ein selbst sperrender MOS-FET-Transistor) durch Verändern seiner Steuerspannung (bzw. des Steuerstroms) mittels eines Spannungsteilers, bestehend aus dem Widerstand R1 und dem Potentiometer P verändert werden kann, wobei eine möglichst konstante Spannungsversorgung des Spannungsteilers dadurch erfolgt, dass dieser direkt über die Diode D mit der Netzspannung verbunden ist.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren C1 und C2 im Zusammenwirken mit R1 und R2 zur Glättung der einweggleichgerichteten Netzspannung dienen und das Stellglied (Transistor) dadurch mit einem weitgehend unmodulierten DC-Signal angesteuert wird.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des analogen Potentiometers P ein Digitalpotentiometer eingefügt wird, um eine Fernsteuerung der Dimmung zu erzielen.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Stellglied S ein selbst sperrender MOS-FET-Transistor eingesetzt wird, wobei der Gate-Anschluss mit R2, der Source-Anschluss mit dem Minuspotential (Masse) und der Drain-Anschluss mit der Plus-Leitung verbunden ist.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach den Ansprüchen 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Dimensionierung des Stellgliedes S (z. B. Leistungstransistor) mehrere LED-Ketten (C – D) mit Vorwiderstand an den Anschlusspunkten C und D parallel geschaltet werden.
Dimmschaltung für Leuchtdioden gemäß 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzspannung zunächst zweiweggleichgerichtet sowie mittels C1 geglättet wird und der Strom durch die LED-Reihenschaltung (LED 1... LED n) mittels eines Stellgliedes S (z. B. ein selbst sperrender MOS-FET-Transistor) durch Verändern des Widerstands des Potentiometers P und der damit bewirkten Änderung der Regel-Ausgangsspannung des Operationsverstärkers verändert werden kann, wobei eine möglichst konstante Spannungsversorgung des Spannungsteilers, bestehend aus den Widerständen R1, R2 und der Zenerdiode Z dadurch erfolgt, dass dieser direkt über die Diode D mit der Netzspannung verbunden ist. Mittels einer Stromspiegelschaltung können weitere LED-Ketten parallel geschaltet werden.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von P ein Digitalpotentiometer eingefügt werden kann, um eine Fernsteuerung der Dimmung zu erzielen.
Dimmschaltung für Leuchtdioden nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente C1, C2, R1 und R2 zur Glättung der zweiweggleichgerichteten Netzspannung dienen.
Dimmschaltung für Leuchtdioden gemäß 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzspannung zunächst zweiweggleichgerichtet sowie mittels C1 geglättet wird und der Strom durch die LED-Reihenschaltung (LED 1... LED n) mittels eines Stellgliedes S (z. B. ein selbst leitender FET-Transistor) durch Verändern des Widerstands des Potentiometers P eingestellt werden kann. Es kann auch hier anstelle von P ein Digitalpotentiometer eingefügt werden, um eine Fernsteuerung der Dimmung zu erzielen. Mittels einer Stromspiegelschaltung können weitere LED-Ketten parallel geschaltet werden.