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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler zum
Betreiben einer Last, insbesondere einer elektrischen Last bestehend
aus Leuchtdioden bzw. LEDs.
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Zur
Ansteuerung einer elektrischen Last, insbesondere von LEDs, LED-Ketten
und/oder LED-Arrays, werden vorrangig Konstantstromquellen verwendet.
Es sind diverse Anordnungen von LEDs bekannt, neben der parallelen
oder Matrixverschaltung von LEDs ist auch die Möglichkeit
der Reihenschaltung von LEDs bekannt. Bei der Reihenschaltung von LEDs
werden alle LEDs in Reihe nacheinander geschaltet; diese Verschaltung
wird auch als LED-Kette bezeichnet. Um LED-Ketten betreiben zu können, wird
ein konstanter Strom erzeugt und durch die LEDs geleitet. Es stellt
sich dann eine Spannung über den LEDs ein, die der Summe
der Flussspannungen aller LEDs entspricht.
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Um
eine konstante Lichtausbeute zu erreichen, muss der Strom, der durch
die LEDs fließt, temperaturabhängig geregelt werden
und nahezu konstant sein. Diese Regelung erfolgt in bekannter Weise über
eine Pulsweitenmodulation des zugeführten Stromes. Mittels
einer Pulsweitenmodulation wird dieser modulierte Strom dann zur
Helligkeitssteuerung der LED-Ketten eingesetzt.
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Die
Energieversorgung der LEDs erfolgt beispielsweise mittels eines
sogenannten Aufwärtswandlers.
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Aus
DE 20 2007 011 973
U1 ist eine LED-Clusteranordnung bekannt, welche mit Konstantstrom
versorgt wird. Die LED-Clusteranordnung wird über eine
Pulsweitenmodulation angesteuert.
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Aus
DE 2006 059 355 A1 ist
eine Ansteuereinrichtung in einem Verfahren zum Betrieb einer Reihenschaltung
von Leuchtdioden offenbart.
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Aus
DE 10 2005 058 484
A1 ist eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betrieb
mindestens einer LED offenbart.
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Problematisch
bei dem bekannten Stand der Technik ist jedoch, dass ein erheblicher
Aufwand bezüglich der Anzahl der zu verwendenden Bauelemente,
als auch bezüglich der Helligkeitsteuerung des LEDS notwendig
ist. Insbesondere eine hohe Flexibilität bezüglich
des Verhältnisses der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung
unter Berücksichtigung der zumeist notwendigen Höhe
der zu erzielenden Ausgangsspannung lässt der bekannte
Stand der Technik außer Acht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Gleichspannungswandler
anzugeben, der diese Problematik umgeht. Außerdem ist es
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung mit einer
möglichst geringen Anzahl von Bauelementen anzugeben, um
eine kostengünstige und platzsparende Lösung zu
erreichen.
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Die
vorliegende Aufgabe wird anhand der Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich anhand der abhängigen Patentansprüche sowie
eines konkreten Ausführungsbeispiels anhand einer konkreten
Schaltungsanordnung und Vorrichtung.
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Der
erfindungsgemäße Gleichspannungswandler dient
zur Um setzung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung.
Der Gleichspannungswandler besteht aus einem Eingangskondensator,
einer Induktivität, einem ersten elektronischen Schalter,
einer Diode, einem Ausgangskondensator und einer Steuereinheit.
Die Steuereinheit steuert den ersten elektronischen Schalter in
Abhängigkeit von der Steuereinheit zugeführten Signalen
an, wobei ein erstes Signal die aktuelle Ausgangsspannung oder der
aktuelle Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers ist, welche über
einer betriebenen elektrischen Last abfällt und das zweite Signal
die Sollspannung oder den Sollstrom darstellt, auf welche die Ausgangsspannung
nahezu konstant gehalten werden soll. Der Eingangskondensator ist zwischen
der Eingangsspannung und Masse oder Null geschaltet, die Induktivität
ist zwischen dem Eingangskondensator und dem ersten elektronischen Schalter
geschaltet. Die Diode liegt zwischen der Induktivität und
dem gegen Masse oder Null geschalteten Ausgangskondensator. Zwischen
der Last und der Masse oder Null liegt ein zweiter elektronischer Schalter,
der von der Steuereinheit über ein Umschaltsignal ansteuerbar
ist. Eine zweite Diode bildet eine Verbindung zwischen dem Ausgang
der Last und dem Eingangskondensator. Der Steuereinheit wird der
Wert der Eingangsspannung zugeführt.
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Vorteilhaft
gemäß der Ausführung nach Patentanspruch
2 ist, dass die Steuereinheit den zweiten elektronischen Schalter
anhand eines Umschaltsignals schließt, wenn die Eingangsspannung
kleiner ist als die Ausgangsspannung, und die Steuereinheit den
zweiten elektronischen Schalter mittels Umschaltsignal öffnet,
wenn die Eingangsspannung größer ist als die Ausgangsspannung.
Hierdurch kann mittels des zweiten elektronischen Schalters der Gleichspannungswandler
bei geschlossenem zweiten elektronischen Schalter als Aufwärtswandler
gegen Masse oder Null betrieben werden und bei geöffnetem
zweiten elektronischen Schalter als Aufwärtswandler gegen
die Eingangsspannung.
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Die
Umschaltung zwischen diesen Betriebsarten des Gleichspannungswandlers
erfolgt lastabhängig, d. h. abhängig von der Ausgangsspannung.
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Vorteilhaft
gemäß der Ausführung nach Patentanspruch
3 ist, dass die Steuereinheit die Umschaltung des zweiten elektronischen
Schalters über eine Hysterese schaltet. Hierdurch erfolgt
kein hartes Umschalten und zugleich wird ein mögliches
Aufschwingen unterbunden.
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Vorteilhaft
gemäß der Ausführung nach Patentanspruch
4 ist, dass der Ausgangskondensator nicht gegen Masse oder Null
geschaltet ist, sondern parallel zur Last. Hierdurch wird ein besseres
dynamisches Verhalten des Gleichspannungswandlers erreicht.
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Vorteilhaft
gemäß der Ausführung nach Patentanspruch
5 ist, dass spannungsseitig zwischen dem Ausgangskondensator und
der Last ein dritter elektronischer Schalter geschaltet ist. Hierdurch
ist es möglich, den Ausgangskondensator vor einem Entladen
zu schützen, wenn die Lasten über ein Pulsweitenmodulationssignal
moduliert werden.
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In
einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch
6 ist der dritte elektronische Schalter mittels eines pulsweitenmodulierten
Signals ansteuerbar, wobei der dritte elektronische Schalter mittels
des pulsweitenmodulierten Signals an- und abschaltbar ist.
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Vorteilhaft
gemäß der Ausführung nach Patentanspruch
7 ist, dass zwischen dem zweiten elektronischen Schalter und Masse
oder Null der durch den zweiten elektronischen Schalter fließende
Strom von einer Messeinheit erfasst wird und die Messeinheit den
Wert der Stromstärke an die Steuereinheit übermittelt
und die Steuereinheit den zweiten elektronischen Schalter bei Überschreitung
eines vordefinierten Stromstärkewertes öffnet.
Hierdurch kann die Last vor einer Beschädigung durch einen Überstrom geschützt
werden, da bei Überschreiten einer vordefinierten Stromstärke
in bzw. durch die Last die Stromzufuhr über den zweiten
elektronischen Schalter von der Steuereinheit unterbrochen wird.
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In
einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch
8 ist die Messeinheit ein Strommesswiderstand, der zwischen Masse
oder Null und dem Ausgang des zweiten elektronischen Schalters geschaltet
ist, oder die Messeinheit ist eine Strommessspule.
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In
einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch
9 ist die Last eine elektrische Last, welche aus mindestens zwei
Einzellasten besteht und die Einzellasten sind über steuerbare
Schalter unabhängig voneinander ein- und ausschaltbar.
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In
einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch
10 ist eine Einzellast ein Dioden-Array, bestehend aus mindestens
zwei parallel geschalteten und/oder in Reihe geschalteten und/oder
matrixverschalteten Leuchtdioden, oder eine Leuchtdiode.
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In
einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch
11 sind die Einzellasten einzeln zeitlich nacheinander oder gemeinsam oder
in Gruppen ein- und ausschaltbar.
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Im
Weiteren wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele
anhand der Figuren 1 bis 9 näher
beschrieben. Diese Beschreibung der Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele
stellt keine Limitierung der Erfindung auf eines der Ausführungsbeispiele
dar.
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Es
zeigen:
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1 einen
Gleichspannungswandler;
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2 einen
Gleichspannungswandler mit vier Schaltern;
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3 einen
Gleichspannungswandler mit Überstromschutz;
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4 einen
weiteren Gleichspannungswandler;
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5 einen
weiteren Gleichspannungswandler;
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6 einen
Spannungsverlauf mit Hysterese bei der Umschaltung;
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7 einen
Gleichspannungswandler mit alternativer Anbindung des Ausgangskondensators;
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8 einen
Gleichspannungswandler mit Pulsweitenmodulationsansteuerung;
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9 einen
Gleichspannungswandler mit Laststrommessung;
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10 einen
weiteren Gleichspannungswandler mit Laststrommessung.
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Bei
der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird figurenübergreifend
für identische Elemente in den Figuren jeweils bei allen
Figuren dasselbe Bezugszeichen verwendet. Dies dient der Übersichtlichkeit
und besseren Verständlichkeit der weiteren konkreten Beschreibung
der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 9.
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In
der nachfolgenden Beschreibung anhand der konkreten Ausführungsbeispiele
wird von einer „Steuereinheit” und „steuern” gesprochen.
Hiermit soll aber zugleich auch der Begriff und die Anwendung des
Regelns miterfasst sein, so dass im Sinne der Beschreibung „regeln” und „steuern”, „Steuereinheit” und „Regeleinheit”, „Steuerung” und „Regelung” jeweils
Synonyme füreinander sind.
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1 zeigt
einen Gleichspannungswandler in Form eines Abwärtswandlers.
Dem Abwärtswandler wird eine Eingangsspannung Uin zugeführt.
Zur Eingangsspannung Uin liegt ein Eingangskondensator Cin gegen
Masse bzw. Null. An dem Eingangskondensator Cin ist ein elektronischer
Schalter S1 angeschlossen, der über eine Steuereinheit 1 angesteuert
wird. Der Ausgang des elektronischen Schalters 1 ist auf
eine Diode D1 geführt, welche in Sperrrichtung gegen Masse
bzw. Null geführt ist. Spannungsseitig ist an die erste
Diode D1 eine Induktivität L1, vorzugsweise eine Spule,
angeschlossen. Ausgangsseite ist an die Induktivität L1
ein Ausgangskondensator Cout gegen Masse bzw. Null geführt. Über
den Ausgangskondensator Cout liegt die Spannung Uout an, welche über
der Last L, die gegen Masse oder Null geschaltet ist, abfällt.
Durch die Last L wird ein Strom mit definierter Stromstärke
getrieben. Dieser Strom soll nahezu konstant sein. Bei der Last
L handelt es sich in vorzugsweiser Ausführung um eine Leuchtdiode
oder mehrere Leuchtdioden, welche in Reihe geschaltet, parallel
geschaltet oder matrixverschaltet sind. Bei den einzelnen Leuchtdioden
ist von Vorteil, wenn diese jeweils mit einem steuerbaren Schalter
parallel zur Leuchtdiode versehen sind, so dass jede einzelne Leuchtdiode
der Last L getrennt von den anderen Leuchtdioden schaltbar ist.
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Bei
der Last L handelt es sich um eine elektrische Last, vorzugsweise
eben um Leuchtmittel, vorzugsweise um mindestens zwei Leuchtdioden, welche
in Reihe geschaltet, parallel geschaltet oder matrixverschaltet
sind.
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Der
Wert der Ausgangsspannung Uout wird der Steuereinheit 1 zugeführt,
im Weiteren wird der Steuereinheit 1 ein Sollwert Usoll
für die Spannung zugeführt. Die Steuereinheit 1 steuert
den Schalter S1 in der Weise an, dass die Ausgangsspannung Uout über
den Soll-Ist-Wertvergleich in der Steuereinheit 1 nahezu
konstant auf den Spannungswert Usoll geregelt wird.
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Die
Steuereinheit 1 ist in Form eines Mikroprozessors, einer
Mikroprozessoreinheit, eines Mikrocomputers, einer Mikrocomputereinheit,
eines Mikrocontrollers oder einer Mikrocontrollereinheit realisiert.
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Verändert
sich nunmehr die Last L, so führt die Steuereinheit 1 die
Ausgangsspannung Uout derart nach, dass diese nahezu konstant gehalten
wird.
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In 2 ist
ein weiter Gleichspannungswandler dargestellt. Dieser Gleichspannungswandler zeichnet
sich dadurch aus, dass in Abwandlung zum Gleichspannungswandler
nach 1 vier elektronische Schalter S1, S2, S3 und S4
verwendet werden. In Abwandlung zum Gleichspannungswandler gemäß 1 ist
die Diode D1 durch einen elektronischen Schalter S2 ersetzt. Der
elektronische Schalter S2 wird über die Steuereinheit 1 angesteuert. Weiterhin
ist ein dritter elektronische Schalter S3 nach der Induktivität
L1 gegen Masse bzw. Null geführt und wird über
die Steuereinheit 1 angesteuert. Ein vierter elektrischer
Schalter S4, der wiederum von der Steuereinheit 1 angesteuert
wird, ist zwischen der Induktivität L1 und dem Ausgangskondensator
Cout eingefügt. Durch diese Schaltungsausführung
ist der Gleichspannungswandler sowohl als Abwärts- als
auch als Aufwärtswandler betreibbar. Dieser Gleichspannungswandler
zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus.
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Nachteilig
bei diesem Gleichspannungswandler ist jedoch, dass ein hoher Aufwand
für die elektronischen Schalter S1, S2, S3, S4 notwendig
ist, wobei aber der Wirkungsgrad im unteren Leistungsbereich deutlich
verbessert wird.
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In 3 ist
ein weiterer Gleichspannungswandler dargestellt. Hier ist wiederum
der Eingangskondensator Cin zwischen der Eingangsspannung Uin und
Masse bzw. Null gelegt. An den Eingangskondensator Cin ist spannungsseitig
eine Induktivität L1, vorzugsweise in Form einer Spule,
angebunden, welche ausgangsseitig einen elektronischen Schalter S1
gegen Masse oder Null aufweist, welche von der Steuereinheit 1 gesteuert
wird. Spannungsseitig ist die Spule L1 mit einer Diode D1 in Flussrichtung
verbunden, wobei der Ausgang der Diode D1 auf den Ausgangskondensator
Cout liegt. Der Ausgangskondensator Cout ist wiederum nach Masse
oder Null geführt. Über dem Ausgangskondensator
Cout fällt die Ausgangsspannung Uout ab. An der Ausgangsspannung
wird nunmehr eine Last L in Serie zu dem Schalter S2 und dem Strommesswiderstand
R betrieben. Die Serienschaltung liegt parallel zum Ausgangskondensator
Cout. Der Steuereinheit 1 wird wiederum der Istwert der
Ausgangsspannung Uist sowie ein Sollwert der Ausgangsspannung Usoll
zugeführt, so dass diese den elektronischen Schalter S1
entsprechend ansteuern kann, so dass die Ausgangsspannung Uout nahezu
konstant auf den Sollwert Usoll geregelt wird. Bei der Last L handelt
es sich wiederum um Dioden, insbesondere Leuchtdioden, welche in
Reihe geschaltet, parallel geschaltet oder matrixverschaltet sind.
Der zweite elektronische Schalter S2 wird über ein Pulsweitenmodulationssignal
PWM angesteuert. Das Pulsweitenmodulationssignal PWM dient zur Helligkeitssteuerung
der Last L, wenn und soweit diese aus Leuchtmitteln oder Leuchtdioden,
wie verstehend beschrieben, bestehen. In Abhängigkeit des
Pulweitenmodulationssignals PWM wird der elektronische Schalter
S2 geschlossen und geöffnet und auf diese Weise die Helligkeit
der Leuchtdi oden variiert, indem die Stromstärke, welche
durch die Last L fließt, gesteuert wird. Es wird eine Messung
des Laststroms vorgenommen. Diese Strommessung erfolgt mittels der
Strommesseinheit I mittels einer Strommessspule oder mittels eines
Strommesswiderstandes Rmess. Detektiert die Strommesseinheit I einen Überstrom,
so schlägt diese ein Signal auf das Pulsweitenmodulationssignal
auf, so dass der elektronische Schalter S2 im Fall des Überstromes
geöffnet wird und somit ein Stromfluss durch die Last L
unterbrochen wird.
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4 zeigt
einen weiteren Gleichspannungswandler in Form eines Aufwärtswandlers.
Hier ist wiederum der Eingangskondensator Cin zwischen Eingangsspannung
Uin und Masse bzw. Null gelegt. An den Eingangskondensator Cin ist
spannungsseitig eine Induktivität L1, vorzugsweise in Form
einer Spule, angebunden, welche ausgangsseitig einen elektronischen
Schalter S1 gegen Masse oder Null aufweist, welche von der Steuereinheit 1 gesteuert wird.
Spannungsseitig ist die Spule L1 mit einer Diode D1 in Flussrichtung
verbunden, wobei der Ausgang der Diode D1 auf den Ausgangskondensator Cout
liegt. Der Ausgangskondensator Cout ist wiederum nach Masse oder
Null geführt. Über dem Ausgangskondensator Cout
fällt die Ausgangsspannung Uout ab.
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Die
Last L ist nunmehr in einem Rückkopplungszweig, geschützt über
die Diode D2, mit dem Eingangskondensator Cin auf dem Spannungspotential
Uin verbunden. Der elektronische Schalter S2 ist zwischen der Last
L und der Ausgangsspannung Uout geschaltet. Der elektronische Schalter
S2 wird wiederum über ein Pulsweitenmodulationssignal PWM
angesteuert, welches ggf. zur Helligkeitssteuerung von LEDs, wie
eingangs beschrieben, welche die Last L dann repräsentiert,
verwendet wird.
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5 zeigt
einen weiteren Gleichspannungswandler. Der Gleichspannungswandler
nach 5 zeichnet sich durch eine erhöhte Flexibilität
bezüglich Eingangs- und Ausgangsspannungsverhältnis,
einen hohen Wirkungsgrad, insbesondere im oberen Lastbereich, eine
kostenoptimierte und bauelementreduzierte Schaltungsanordnung mit
einem geringen Platzbedarf aus. Der Gleichspannungswandler nach 5 zeigt
wiederum einen Eingangskondensator Cin, der zwischen der Eingangsspannung
Uin und Masse bzw. Null gelegt ist. Weiterhin ist eine Steuereinheit 1 vorhanden,
der der Wert der Ausgangsspannung Uout als Ist-Signal Uist und ein Sollwert
Usoll für die Lastspannung als Soll-Signal zugeführt
wird. Zugleich wird ein Spannungswert Uwin als weiteres Eingangssignal,
das den Wert der Eingangsspannung Uin repräsentiert, zugeführt. Spannungsseitig
ist der Kondensator Cin mit einer Induktivität L1, vorzugsweise
einer Spule, verbunden. Ausgangsseitig ist die Induktivität
L1 mit einem elektronischen Schalter S1, der gegen Masse bzw. Null geschaltet
ist und sein Steuersignal über die Steuereinheit 1 erhält,
angebunden. Im Weiteren ist eine in Flussrichtung geschaltete Diode
D1 vorhanden, welche spannungsseitig den Ausgangskondensator Cout
anbindet, der ausgangsseitig gegen Masse oder Null geführt
ist. Über den Ausgangskondensator Cout fällt wiederum
die Ausgangsspannung Uout ab. An der Ausgangsspannung Uout ist die
Last L angeschlossen. Die Last L ist gegen Masse oder Null über einen
elektrischen Schalter S2 geschaltet, wobei der Schalter S2 von der
Steuereinheit 1 über ein Umschaltsignal Uum angesteuert
wird. Ausgangsseitig ist die Last L über eine Diode D2
mit dem Eingangskondensator Cin auf dem Spannungspotential Uin verbunden.
Die Steuereinheit 1 regelt nunmehr wieder die Lastspannung
Ulast auf einen nahezu konstanten Wert anhand der dieser zugeführten
Werte Uist und Usoll, um die Lastspannung Ulast nahezu konstant
auf dem Wert Usoll zu halten. Im Weiteren steuert die Steuereinheit 1 das
Umschaltsignal Uum, mittels dessen der elektronische Schal ter S2
angesteuert wird. Der elektronische Schalter S2 wird von der Steuereinheit 1 spannungsabhängig
geschaltet. Liegt die Eingangsspannung Uin unter der Lastspannung
Ulast, wird der elektronische Schalter S2 geschlossen. Damit fließt
der Laststrom immer gegen Masse oder Null ab. Die Lastspannung Ulast
entspricht damit nahezu der Ausgangsspannung Uout. Liegt die Eingangsspannung
Uin über der Lastspannung Ulast wird der Schalter S2 geöffnet,
der Laststrom fließt jetzt über die Diode D2.
Die Lastspannung Ulast entspricht damit nahezu der Ausgangsspannung
Uout abzüglich der Eingangsspannung Uin. Ist der elektronische
Schalter S2 geschlossen, wird der Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler
in Betrieb gegen Masse bzw. Null betrieben, ist der elektrische
Schalter S2 geöffnet, wird der Gleichspannungswandler als
Aufwärtswandler in Betrieb gegen die Eingangsspannung Uin
betrieben.
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In
der vorgenannten Ausführungsform des Gleichspannungswandlers
läuft der Gleichspannungswandler im oberen Leistungsbereich
mit einem optimalen Wirkungsgrad und einer guten EMV-Verträglichkeit
durch die Speicherspule L1 im Eingangspfad. Der Bauelementenaufwand
ist gering und die Flexibilität bezüglich Ein-
und Ausgangsspannung hoch.
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Da
es beim Betrieb des Gleichspannungswandlers nicht sinnvoll ist,
eine harte Umschaltung vorzunehmen, wird ein gewisser Sicherheitsabstand zwischen
den einzelnen Umschaltpunkten dadurch realisiert, dass eine Hysterese
für die Umschaltung des elektronischen Schalters S2 gewährt
wird. Hierdurch wird auch ein Aufschwingen des Gleichspannungswandlers
vermieden. In 6 ist eine solche Schalthysterese
und Umschaltung anhand des elektronischen Schalters S2 dargestellt.
Es ist der Spannungsverlauf an der Last Ulast sowie der Spannungsverlauf
von Uin dargestellt. Es ist die Hysterese Uh definiert, sowie die
daraus resultierende Umschaltspannung Us. Aus 6 ist damit
der Spannungsverlauf, wie dargestellt, gegeben, wenn eine solche
Hysterese implementiert ist. Das Schaltverhalten des elektronischen
Schalters S2 ist ebenfalls dargestellt.
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Eine
alternative Ausführung des Gleichspannungswandlers gemäß 5 ist
in 7 dargestellt. Dort ist eine alternative Anbindung
des Ausgangskondensators Cout dargestellt. In 7 ist
der Ausgangskondensator Cout nicht gegen Masse oder Null geschaltet
wie bei 5, sondern der Ausgangskondensator
Cout ist parallel zur Last L geschaltet. Hierdurch wird ein besseres,
dynamischeres Verhalten des Gleichspannungswandlers erreicht. Die
weitere Funktionsweise und Ausführung des Gleichspannungswandlers
ist mit der in 5 beschriebenen Ausführungsform
im übrigen analog.
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In 8 ist
eine weitere Ausführungsform des Gleichspannungswandlers
nach 7 dargestellt. Der Gleichspannungswandler gemäß 8 berücksichtigt
die Notwendigkeit, bei Lasten in Form von Leuchtmitteln, insbesondere
Leuchtdioden, eine Helligkeitssteuerung zu ermöglichen.
Dies wird erreicht, indem am Ausgang Uout ein elektronischer Schalter
S3 der Last L vorgeschaltet wird. Dieser elektronische Schalter
S3 wird über ein Pulsweitenmodulationssignal PWM geschaltet.
Dieses Pulsweitenmodulationssignal PWM stellt das Helligkeitsregelungssignal
für die Leuchtmittel, insbesondere Leuchtdioden, dar, welche
dann die Last L repräsentieren. Je größer
das Pulsweitenmodulationssignal PWM ist, d. h. desto geringer die
Abstände zwischen einzelnen Pulsen des Pulsweitenmodulationssignal PWM,
desto heller leuchten die Leuchtdioden. Auf diese einfache Weise
kann die Helligkeitssteuerung integriert werden.
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Im
Weiteren steuert die Steuereinheit 1 das Umschaltsignal
Uum, mittels dessen der elektronische Schalter S2 an gesteuert wird.
Der elektronische Schalter S2 wird von der Steuereinheit 1 spannungsabhängig
geschaltet. Liegt die Eingangsspannung Uin unter der Lastspannung
Ulast, wird der elektronische Schalter S2 geschlossen. Damit fließt
der Laststrom immer gegen Masse oder Null ab. Die Lastspannung Ulast
entspricht damit nahezu der Ausgangsspannung Uout. Liegt die Eingangsspannung Uin über
der Lastspannung Ulast, wird der Schalter S2 geöffnet,
der Laststrom fließt jetzt über die Diode D2.
Die Lastspannung Ulast entspricht damit nahezu der Ausgangsspannung
Uout abzüglich der Eingangsspannung Uin. Ist der elektronische
Schalter S2 geschlossen, wird der Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler
in Betrieb gegen Masse bzw. Null betrieben, ist der elektrische
Schalter S2 geöffnet, wird der Gleichspannungswandler als
Aufwärtswandler in Betrieb gegen die Eingangsspannung Uin betrieben.
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Der
elektronische Schalter S3 ermöglicht es außerdem
den Laststrom zu unterbrechen. Dies erfolgt z. B. zum Schutz der
Last L. Es kann insbesondere bei einem Kurzschluss des Ausgangs
gegen Masse oder bei Überspannung die Last L getrennt werden.
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Hierüber
kann auch beispielsweise ein Kurzschluss der Versorgung über
die Versorgungsspannung abgeführt oder begrenzt werden.
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9 zeigt
eine weitere Ausführung eines Gleichspannungswandlers.
Dieser Gleichspannungswandler beruht auf der Ausführung
gemäß 8, es ist jedoch zusätzlich
zum Gleichspannungswandler gemäß 8 eine
Strommessung des Laststromes gegen Masse ermöglicht. Hierzu
wird die Stromstärke, die durch die Last L fließt,
erfasst. Über eine Strommesseinheit, vorzugsweise eine Stromspule,
oder – wie in 9 dargestellt – mittels eines
Strommesswiderstand Rmess wird der Wert der Stromstärke
erfasst und der Steuereinheit 1 als Wert Is zugeführt.
Wird ein vor definierter und in der Steuereinheit 1 hinterlegter
maximaler Stromstärkewert überschritten, so steuert
die Steuereinheit 1 den elektronischen Schalter S3 an,
so dass dieser geöffnet wird und die Stromzuführung
in die Last L unterbricht. Somit kann ein weiterer Schutz für
die Last L implementiert werden.
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Vorteilhaft
der gesamten Schaltungsanordnung ist, dass die Bauelemente für
das Schalten der elektrischen Last L gegen die unterschiedlichen
Potentiale lediglich den Laststrom führen und nicht den Spitzenstrom,
der im Gleichspannungswandler fließt.
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10 zeigt
eine weitere Ausführung eines Gleichspannungswandlers.
Dieser Gleichspannungswandler beruht auf der Ausführung
gemäß 9. Die dargestellten Steuerungen
nutzen als Regelgröße die Ausgangsspannung Uout.
Anstelle dessen, kann der Regler auch mit dem Ausgangsstrom als
Regelgröße ausgeführt werden, was beim
Einsatz von LEDs als Last L aufgrund der Strom/Spannungskennlinie
vorteilhaft ist. Zur Umsetzung wird anstelle der Sollspannung Usoll
in 9 und der Istspannung Uist bei 10 der
Sollstrom Isoll und der Iststrom Iist vorgegeben. Die Umschaltung
erfolgt sowohl bei der Regelung auf die Ausgangsspannung als auch
bei der Regelung auf den Ausgangsstrom immer auf einer Messung der
Ausgangsspannung Uout, der Eingangsspannung Uwin.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 202007011973
U1 [0005]
- - DE 2006059355 A1 [0006]
- - DE 102005058484 A1 [0007]