DE102008058524A1

DE102008058524A1 - Schaltungsanordnung für eine Leuchte mit Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102008058524A1
Application number: DE102008058524A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Künstler
Original assignee: Herbert Waldmann GmbH and Co KG
Current assignee: Herbert Waldmann GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2028-11-22
Also published as: DE102008058524B4

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, mittels welcher je nach Wunsch des Anwenders über eine Auswahlschaltung für die Betriebsart 10 ein im Stromkreis von Leuchtdioden 60 liegender Stromregler 50 so gesteuert wird, dass die Leuchtdioden 60 entweder eine möglichst lange Lebensdauer haben oder Licht mit einer maximalen Lichtstärke erzeugen bzw. bei welcher die Leuchte eine maximal zulässige Temperatur einhält. In dem hierfür erforderlichen Regelkreis werden die mittels der Auswahlschaltung 10 erzeugten Sollwerte W mit gemessenen Istwerten X zur Erzeugung einer Regeldifferenz W-X in einem Subtrahierglied 30 verknüpft. Diese Regeldifferenz wird in einem Regler 40 in eine den Stromregler 50 steuernde Stellgröße umgewandelt. Im Stromkreis der Leuchtdioden liegende Stromsensoren bzw. in der Leuchte angeordnete Temperatursensoren liefern die für die Erzeugung des Istwertes X maßgebenden Parameter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Leuchte mit Leuchtdioden als Lichtquelle, die über einen steuerbaren Stromregler mit der Spannungsquelle verbunden sind.
Es ist grundsätzlich bekannt, die Helligkeit von Lampen und auch Leuchtdioden mittels eines im Stromkreis liegenden Stromreglers, auch Dimmer genannt, manuell einzustellen.
Insbesondere mit Leuchtdioden ausgestattete Leuchten werden in unterschiedlichsten Anwendungen und unter unterschiedlichen Randbedingungen betrieben. Hieraus ergeben sich verschiedene Betriebseigenschaften der verwendeten Leuchtmittel, die für den jeweiligen Anwendungszweck charakteristisch sind. Solche Eigenschaften können z. B. die mittlere Lebensdauer der Leuchtmittel, die Beleuchtungsstärke, die maximale Oberflächentemperatur der Leuchte bzw. die zulässige Umgebungstemperatur sein. Diese Eigenschaften stehen in konkurrierender Wechselwirkung, so dass bei Optimierung eines Parameters andere Parameter benachteiligt werden. Damit ergibt sich beim Betrieb der Leuchte stets ein Kompromiss, nach welchem keine Eigenschaft optimal erfüllt ist oder die Leuchte für die jeweilige Anwendung nicht optimal betrieben wird.
Ist z. B. eine hohe Beleuchtungsstärke bei kurzzeitigem Betrieb erforderlich, können die Leuchtmittel mit einer höheren Stromstärke betrieben werden. Die hierdurch verursachte Reduzierung der mittleren Lebensdauer ist wegen des Kurzzeitbetriebes akzeptabel.
Wird dagegen eine möglichst lange Lebensdauer erwartet, muss die Stromstärke herabgesetzt werden, wobei die maximal zulässige Sperrschichttemperatur der Leuchtdioden eingehalten und damit kontrolliert werden sollte.
Üblicherweise bietet der Hersteller je nach Anwendungsart unterschiedliche Leuchten an. Das führt aber zwangsläufig zu einer aufwändigeren Produktion und Lagerhaltung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leuchte zu schaffen, die vom Benutzer bei der Inbetriebnahme in einfacher Weise für den jeweiligen Anwendungszweck konfiguriert werden kann, um die oben erläuterten Nachteile zu vermeiden.
Gelöst wird diese Aufgabe mit der im Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung, mit welcher der Benutzer selbst die Betriebsparameter in einfacher Weise auswählen und damit an die jeweilige Anwendung anpassen kann.
Diese Schaltungsanordnung besteht im Wesentlichen aus einer Schaltung zur Auswahl der Betriebsart, aus einem Regler, welcher von einer aus der Differenz von vorgegebenem Sollwert und gemessenem Istwert hergeleiteten Regelgröße gesteuert wird und der den im Stromkreis des Leuchtmittels liegenden Stromregler regelt. Bei der Ermittlung des Istwertes werden der LED-Strom und/oder die Leuchtentemperatur berücksichtigt, welche mit Sensoren gemessen werden.
Nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 2 ist die vom Regler erzeugte Stellgröße zur Steuerung des Stromreglers ein pulsweitenmoduliertes Signal.
Zur Einstellung des Sollwertes der adaptiven Leuchte gemäß der Erfindung werden verschiedene Schaltungen vorgeschlagen.
Eine solche Schaltung besteht gemäß Anspruch 3 aus einem Spannungsteiler, an dessen Teilerpunkten die gewünschten Sollwerte abgenommen werden können. Diese Teilerpunkte sind wahlweise über Schalter mit einen die Soll- und Istwerte miteinander verknüpfenden Subtrahierglied verbindbar.
Eine andere einfache Auswahlschaltung ist gemäß Anspruch 4 dadurch realisiert, dass das Anschlusskabel für die Leuchte eine Steckerkupplung mit unterschiedlich belegten Pins aufweist, welche mit einem gegenüber dieser in verschiedene Winkelstellungen verdrehbaren Stecker verbindbar ist. Soll die Winkelstellung von Stecker und Steckerkupplung unverändert bleiben, ist es auch möglich, die Auswahl durch unterschiedliche Verdrahtung zu realisieren. Es ist ferner ein Netzwerk von verschiedenen Spannungsteilern vorgesehen, deren Teilerpunkte mit den Pins verbunden sind. Je nach Winkelstellung der Steckerkupplung zum Stecker werden die unterschiedlich dimensionierten Spannungsteiler mit dem Ausgang der Auswahlschaltung verbunden, so dass an diesem unterschiedlich große Sollwerte anliegen, welche in dem Subtrahierglied mit dem ermittelten Istwert zur Bildung der Regelgröße verknüpft werden.
Nach dem dritten Vorschlag gemäß Anspruch 5 kann für diesen Zweck auch ein Microcontroller verwendet werden, dessen Schnittstelle die Auswahlparameter zugeführt werden und an dessen Ausgängen, welche Digital-Analog-Umsetzer aufweisen, die Soll- und Istwerte anliegen. Die mittels der Strom- bzw. Temperatursensoren ermittelten Werte werden über Steuereingänge dem Microcontroller zugeführt und gleichfalls im Microcontroller rechnerisch berücksichtigt.
Schließlich ist es gemäß Anspruch 6 möglich, auch das Subtrahierglied und den Regler zur Steuerung des Stromreglers in den Microcontroller zu integrieren.
Je nach Anwendungsart und Einsatz der Leuchte sind die Sperrschichttemperatur der Leuchtdioden, die Temperatur des Leuchtenkopfes, in welchem die Leuchtmittel angeordnet sind, die maximal zulässige Umgebungstemperatur bzw. der mittlere Strom durch die Leuchtdiode für die Regelung maßgebend. So kann es notwendig sein, den Leuchtdiodenstrom so zu regeln, dass die Sperrschichttemperatur der Leuchtdiode bzw. die Oberflächentemperatur der Leuchte einen Wert einhält, der kleiner oder gleich der maximal zugelassenen Temperatur für die Leuchtdiode bei einer bestimmten Umgebungstemperatur bzw. der maximal zugelassenen Oberflächentemperatur der Leuchte ist.
In diesen Fällen genügt es, den von einem Temperatursensor, der in der Leuchte in Nachbarschaft der Leuchtdioden angeordnet ist, erzeugten Messwert mit unterschiedlichen Faktoren zu bewerten und den derart bewerteten Messwert bei der Ermittlung des Istwertes zu berücksichtigen, wie dies in Anspruch 7 vorgeschlagen ist.
Sollen die Leuchtdioden eine möglichst lange Lebensdauer haben, so ist der mittlere Strom durch die Leuchtdioden so zu regeln, dass die Sperrschichttemperatur der Leuchtdiode unter einem Wert liegt, welcher kleiner oder gleich der Temperatur für die maximale mittlere Lebensdauer ist.
Wird eine maximale Beleuchtungsstärke bei geringer Beleuchtungsdauer gewünscht, so kann der Leuchtdiodenstrom auf den maximal zulässigen Wert eingestellt werden.
Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die mit Blockschaltbildern schematisch in den Zeichnungen dargestellt sind, im Einzelnen erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 Blockschaltbild der Schaltungsanordnung zur Regelung des Stromes von Leuchtdioden,
2 Blockschaltbild der Schaltung zur Auswahl der Betriebsart und der Istwerte nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 Blockschaltbild zur Auswahl der Betriebsart und der Istwerte nach einem zweiten Ausführungsbeispiel und
4 Blockschaltbild der Schaltung zur Auswahl der Betriebsart und der Istwerte nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Schaltungsanordnung zur Regelung des Stromes von Leuchtdioden LED 11 bis LED 1n bzw. LED m1 bis LED mn, die als Lichtquelle 60 einer nicht dargestellten Leuchte dienen. Der Strom der an Spannung VCC liegenden Leuchtdioden (LED) wird mittels eines Stromreglers 50 geregelt.
Die Auswahl der Betriebsart erfolgt mit einer Auswahlschaltung 10, deren Aufbau anhand der 2 bis 4 für verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert ist.
Mit dieser Auswahlschaltung 10 wird vom Benutzer willkürlich eine der Steuergrößen W1 bis W4 ausgewählt, welche den Sollwert W als Führungsgröße darstellt. Gleichzeitig wird die Schaltung 20 zur Ermittlung des Istwertes aktiviert. Diese erzeugt in Abhängigkeit des vom Benutzer ausgewählten Parameters, z. B. der Stärke des LED-Stroms, der Sperrschichttemperatur der LED bzw. der Leuchtentemperatur, den Istwert X als Regelgröße. Regelgröße und Führungsgröße werden in dem Subtrahierglied 30 zur Bildung der Regeldifferenz W-X verknüpft, welche dem Regler 40 zugeführt und von diesem in eine Stellgröße zur Steuerung des LED-Stromreglers 50 umgewandelt wird. Diese Stellgröße ist vorzugsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal). Zur Ermittlung der ausgewählten Parameter sind im Stromkreis der Leuchtdioden Stromsensoren sowie in Nachbarschaft der Leuchtdioden Temperatursensoren vorgesehen. Diese Sensoren sind mit den Steuereingängen der Schaltung 20 zur Ermittlung des Istwertes verbunden, wobei die vom Temperatursensor erzeugte Steuergröße je nach Betriebsart mit unterschiedlichen Faktoren K1, K3 und K4 bewertet wird. Diese unterschiedlichen Faktoren sind davon abhängig, welche Temperatur die Regelgröße bestimmen soll, also z. B. im Falle des Faktors K1 die Sperrschichttemperatur der Leuchtdioden, im Falle des Faktors K3 die Oberflächentemperatur der Leuchte und im Falle des Faktors K4 die Umgebungstemperatur der Leuchte.
Für die Gestaltung der Schaltung zur Auswahl der Betriebsart 10 bieten sich verschiedene Möglichkeiten.
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 besteht diese Schaltung aus einem zwischen Spannung VCC-GND liegenden Spannungsteiler mit den Widerständen R1 bis R4, dessen Teilerpunkte mittels der Schalter S1 bis S4 mit dem Ausgang der Auswahlschaltung 10 verbindbar sind. An den Teilerpunkten liegen als Steuergrößen die Spannungen W1 bis W4 an, welche je nach Schalterstellung die Schaltung 20 zur Ermittlung des Istwertes X aktivieren. Zur Entkopplung sind die Ausgänge der Schalter S1 bis S4 mit dem Ausgang der Auswahlschaltung 10 über Entkopplungsdioden D1 bis D4 verbunden.
Die Steuereingänge X1 bis X4 der Schaltung 20 sind, wie anhand von 1 beschrieben, mit den Sensoren 51 und 52 verbunden.
Bei einer derartigen Anordnung kann der Benutzer durch Betätigen der Schalter S1 bis S4 die Betriebsart auswählen und damit einen optimierten Betrieb der Leuchte bestimmen.
Eine modifizierte Art der Auswahlschaltung ist mit der Schaltungsanordnung nach 3 realisiert. Anstelle von Schaltern ist eine mit mehreren Steckerstiften 1 bis 5 ausgestattete Steckerkupplung 15 vorgesehen, welche mit einem nicht dargestellten Stecker in unterschiedlichen Drehwinkeln verbindbar ist. Bei gleicher Winkelstellung zwischen Stecker und Steckerkupplung ist im Sinne des Erfindungsvorschlages die Verdrahtung zu modifizieren. Hierdurch wird die zwischen dem Versorgungspin und dem GND-Pin liegende Versorgungsspannung mit unterschiedlichen Punkten des aus den Widerständen R10 bis R50 bestehenden Spannungsteilers verbunden.
Liegt die Versorgungsspannung zwischen PIN 1 und PIN 5 der Steckerkupplung 15, so sind die Widerstände R10 und R50 des Spannungsteilers stromdurchflossen. Der Sollwert W steht an dem Teilerpunkt zwischen R10 und R50 an.
Liegt die Versorgungsspannung zwischen PIN 2 und PIN 5 der Steckerkupplung 15, ist der Spannungsteiler R20 und R50 strom durchflossen. Der Sollwert W liegt am Teilerpunkt zwischen R20 und R50 an.
Liegt die Versorgungsspannung zwischen PIN 3 und PIN 5 der Steckerkupplung 15 an, sind die Teilerwiderstände R30 und R50 stromdurchflossen. Der Sollwert W liegt am Teilerpunkt zwischen R30 und R50 an.
Liegt die Versorgungsspannung zwischen PIN 4 und 5 an, sind die Teilerwiderstände R40 und R50 stromdurchflossen. Der Sollwert W wird am Teilerpunkt zwischen den Widerständen R40 und R50 abgenommen.
Die Dioden D10 bis D40 dienen auch hier der Entkopplung und der Aufschaltung der Versorgungsspannung für die Leuchte.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird in entsprechender Weise die Schaltung 20 zur Ermittlung des Istwertes unter Berücksichtigung der von den Sensoren erfassten Parameter X1 bi X4 zur Bestimmung des Istwertes X angesteuert.
Bei dem letzten Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist die Auswahlschaltung durch einen Microcontroller 70 realisiert, dessen Schnittstelle 71 die die Betriebsart bestimmenden Parameter zugeführt werden. Weitere Steuereingänge 72 und 73 sind mit den Strom- bzw. Temperatursensoren verbunden. Im Microcontroller werden unter Berücksichtigung der vorgegebenen Parameter sowie der gemessenen und bewerteten Sensorsignale Soll- und Istwerte W und X ermittelt, welche über Digital-Analog-Umsetzer 74 und 75 ausgegeben und dem in 1 gezeigten Subtrahierglied 30 zur Ermittlung der Regelgröße W-X zugeführt werden.
Nach einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, im Controller das Subtrahierglied 30 und den Regler 40 vorzusehen, so dass der gesamte Regelkreis aus Microcontroller 70, LED-Stromregler 50 und den Leuchtdioden 60 besteht.

Claims

Schaltungsanordnung für eine Leuchte mit Leuchtdioden (LED) als Lichtquelle, die über einen steuerbaren Stromregler mit der Spannungsquelle verbunden sind, gekennzeichnet durch, a) eine Schaltung (10) zur Auswahl der Betriebsart, mit welcher ein Sollwert (W) als Führungsgröße eingestellt und mit welcher ein Istwert (X) als Regelgröße für die Stromregelung ausgewählt wird, wobei der Istwert (X) mit dem Sollwert (W) zur Erzeugung einer Regelgröße (W-X) in einem Subtrahierglied (30) verknüpft wird, b) durch einen Regler (40), welcher die Regelgröße (W-X) in eine den Stromregler (50) steuernde Stellgröße umwandelt, sowie c) durch den LED-Strom bzw. die Leuchtentemperatur messende Sensoren (51, 52) zur Erzeugung des Istwertes (X).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Regler (40) erzeugte Stellgröße (Y) zur Steuerung des Stromreglers (50) ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Auswahl der Betriebsart einen Spannungsteiler mit den Widerständen R1 bis R4 aufweist, dessen Teilerpunkte wahlweise über Schalter (S1 bis S4) mit dem Subtrahierglied (30) verbindbar sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Auswahl der Betriebsart aus mehreren Spannungsteilern (R₁₀, R₅₀; R₂₀, R₅₀; R₃₀, R₅₀, R₄₀, R₅₀) besteht, welche zwischen den verschiedenen PINs (1, 5; 2,5; 3,5; 4,5) einer mit einem Anschlussstecker in entsprechende Winkelabstände verdrehbaren Steckerkupplung liegen, wobei der an den Teilerpunkten der Spannungsteiler (R₁₀, R₅₀; R₂₀, R₅₀; R₃₀, R₅₀, R₄₀, R₅₀) liegende Sollwert (W) dem Subtrahierglied (30) zugeführt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Microcontrollers (70), dessen Schnittstelle (71) die Auswahlparameter zugeführt werden und dessen Digital- und Analogumsetzer (74, 75) aufweisenden Ausgänge die Soll- und Istwerte (W, X) erzeugen, wobei die Strom- bzw. Temperatursensoren (51, 52) mit Steuereingängen (72, 73) des Microcontrollers (70) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Subtrahierglied und der Regler Teil des Microcontrollers sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Temperatursensor in der Leuchte in Nachbarschaft der Leuchtdioden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Temperatursensor erzeugte Meßwert mit unterschiedlichen Faktoren zur Ermittlung verschiedener Leuchtentemperaturen bewertbar ist.