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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben
von Leuchtmitteln.
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Technisches Gebiet
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Derartige
Vorrichtungen werden in Beleuchtungssystemen verwendet, um eine
farbige oder flächige Beleuchtung von Räumen,
Wegen oder auch Fluchtwegen zu erreichen. Üblicherweise
werden dabei die Leuchtmittel von Betriebsgeräten angesteuert und
bei Bedarf aktiviert. Für eine derartige Beleuchtung werden
organische oder anorganische Leuchtdioden (LED) als Lichtquelle
genutzt.
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Stand der Technik
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Zur
Beleuchtung werden anstelle von Gasentladungslampen und Glühlampen
immer häufiger auch Leuchtdioden als Lichtquelle eingesetzt.
Die Effizienz und Lichtausbeute von Leuchtdioden wird immer stärker
erhöht, so dass sie bei verschiedenen Anwendungen der Allgemeinbeleuchtung
bereits zum Einsatz kommen. Allerdings sind Leuchtdioden Punktlichtquellen
und strahlen stark gebündeltes Licht aus.
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Heutige
LED-Beleuchtungssystem haben oft jedoch den Nachteil, dass aufgrund
von Alterung oder durch Austausch einzelner LEDs oder LED Module
sich die Farbabgabe oder die Helligkeit verändern kann.
Zudem hat die Sekundäroptik einen Einfluss auf das Thermomanagement,
da die Wärmeabstrahlung behindert wird. Zudem kann es aufgrund von
Alterung und Wärmeeinwirkung zu einer Veränderung
des Phosphors der LED kommen.
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Aus
der
EP 1016062 ist es
bekannt, LEDs mit mehreren parallelen PWM-Signalen anzusteuern. Dabei
haben alle PWM-Signale untereinander wie auch zeitlich für
sich selbst betrachtet eine identische gleichförmige Frequenz.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die PWM-Ansteuerung simultan erfolgt,
d. h. die Einschaltflanken aller PWM-Signale sind simultan.
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Das
gleiche Konzept der PWM-Signale für LEDs mit einheitlicher
Frequenz und simultanen Einschaltflanken ist auch bekannt aus der
US 5420482 (siehe bspw.
dort die
13).
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Bei
diesen bekannten Ansätzen besteht das Problem, das das
PWM-Schalten mit einheitlicher Frequenz und/oder mit simultanen
Einschaltflanken einerseits Probleme hinsichtlich elektromagnetischer Störungen
erzeugt („EMV-Verträglichkeit”). Zusätzlich
oder alternativ wird auch eine dem PWM-Modul vorgeschaltete Spannungsversorgung,
bspw. ein vorzugsweise getakteter PFC, durch das simultane Schalten
stark belastet.
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Darstellung der Erfindung
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Hintergrund
der Erfindung ist die Verringerung von Lastsprüngen und
von Störungen und somit die Verbesserung des EMV-Verhaltens
der LED-Treiber. Bei gleichzeitigem Einschalten aller Stufen kommt
es zu hohen Lastwechseln und Schaltflanken. Diese müssen
durch den PFC (Lastwechsel) bzw. die Filterschaltung (Schaltflanken)
kompensiert werden.
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Gemäss
dem zentralen Gedanken der Erfindung wird dies dadurch gelöst,
dass
- – die Einschaltflanke wenigstens
eines PWM-Signals von der wenigstens eines weiteren PWM-Signals
zumindest zeitweise abweicht und somit nicht simultan ist, und/oder
- – die Frequenz eines oder mehrerer PWM-Signale zumindest
zeitweise zeitlich nicht konstant ist, und/oder
- – die Frequenz wenigstens eines PWM-Signals wenigstens
zeitweise von der wenigstens eines weiteren PWM-Signals abweicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche, wobei die die Merkmale der abhängigen
Ansprüche den zentralen Gedanken der Erfindung besonders
vorteilhaft weiterbilden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung betrifft weiterhin
eine Vorrichtung zum Betrieb von wenigstens zwei Leuchtmitteln,
wobei durch eine gemeinsame elektrische Versorgungseinheit elektrische
Energie an wenigstens zwei Leuchtmittelanordnungen, jeweils bestehend
aus einem oder mehreren Leuchtmitteln, zur Verfügung gestellt
wird, wobei einer ersten Leuchtmittelanordnung und wenigstens einer zweiten
Leuchtmittelanordnung elektrische Energie in Form von PWM-Paketen
zugeführt wird, wobei zwischen den unterschiedlichen Leuchtmittelanordnungen
die zeitliche Abfolge der PWM-Pakete abgestimmt ist.
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Auf
diese Weise ist es möglich, eine sehr gleichbleibende und
gleichmäßige Ausleuchtung einer Fläche
durch ein Leuchtmittel mit Leuchtdioden zu erreichen, wobei die Belastung
der versorgenden Einheiten möglichst gering gehalten wird.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert werden. Es zeigen:
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben
von LED,
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2 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Betreiben von LED, und
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3 und 4 zeigen
erfindungsgemäße Abfolgen der PWM-Pakete.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels einer
Vorrichtung zum Betreiben von LEDs erklärt. Diese Vorrichtung
weist ein Treiber-Modul auf, und ein von dem Treiber-Modul angesteuertes
LED-Modul mit wenigstens einer LED 5, mit einem Speicher
zur Hinterlegung von Informationen über das LED-Modul,
wobei der Speicher entweder im Treiber-Modul oder im LED-Modul enthalten
sein kann und die Informationen im Speicher abgeändert
werden können.
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Der
Speicher kann in einem Treiber-Modul 1 enthalten sein.
Das Treiber-Modul 1 verfügt über Anschlüsse 2 und 3,
an die über die Verdrahtung 4 eine LED oder mehrere
LED 5 angeschlossen werden können. Die LEDs 5 können
sich auf einem gemeinsamen LED-Modul befinden.
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Die
einzelnen LED 5 können über verschiedene
Ausgangsstufen, Treiber oder Konverter angesteuert werden.
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Die
Informationen im Speicher aufgrund einer Kalibrierungsmessung abgeändert
werden können. Die Informationen im Speicher können
um einen Korrekturfaktor abgeändert werden. Die Informationen
im Speicher können um einen Korrekturfaktor abgeändert
werden, der aufgrund einer Kalibrierungsmessung wurde. Der Korrekturfaktor
kann von einem Benutzer geändert werden, beispielsweise über
eine Vorgabe über eine Schnittstelle 7. Die Schnittstelle
kann sowohl eine drahtgebundene als auch eine drahtlose Übertragung
nutzen. Der Korrekturfaktor kann von der Alterung bzw. der Betriebsdauer
des LED-Moduls abhängig sein. Der Korrekturfaktor kann
von der Temperatur des LED-Moduls abhängig sein.
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Für
die Durchführung der Kalibrierung kann ein Sensor 6 genutzt
werden, der für die Kalibrierungsmessung in das Beleuchtungssystem
eingeführt wird. Der Korrekturfaktor kann von einer Farbmessung
abhängig sein. Die Farbmessung kann mittels einer RGB-Farbmessung,
beispielsweise eines CCD Sensors, erfolgen. In diesem Falle wäre
der Sensor 6 ein RGB-Farbsensor. Die Bestimmung des Korrekturfaktors
kann in regelmäßigen Abständen wiederholt
werden. Der Speicher kann von dem Treiber-Modul über eine
digitale Schnittstelle ausgelesen werden.
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Der
Speicher kann sich auf dem LED-Modul befinden und bei Austausch
des Moduls durch den Benutzer ausgelesen werden. Der Speicher kann sich
auf dem LED Modul befinden und vor einem Austausch des Moduls durch
das Treiber-Modul aufgrund einer Signalisierung durch den Benutzer ausgelesen
werden. Der Speicher kann in einem Kalibriergerät platziert
sein.
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Die
Signalisierung zum Auslesen des Speichers auf dem LED-Modul kann
durch den Benutzer durch eine Schaltfolge an der Versorgungsspannung, einen
digitalen Steuerbefehl oder durch eine andere Signalisierung erfolgen.
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Nach
dem Austausch des LED-Moduls können die ausgelesenen Informationen
in dem Speicher des neuen LED-Moduls abgelegt werden.
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Das
Treiber-Modul kann die im Speicher abgelegte Information über
eine digitale Schnittstelle an andere Treiber-Module weiterleiten.
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Zur
Kalibrierung können eine oder mehrere LED Module abgeschaltet
werden. Zur Kalibrierung kann jeweils auch nur ein LED Modul eingeschaltet werden.
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Die
Farbmessung kann mit einem Farbsensor (bspw. CCD Sensor) durchgeführt
werden.
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Der
Farbsensor kann so platziert ist, dass er einen Teil des von den
LED Modulen abgestrahlten Lichtes empfangen kann.
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Der
Farbsensor kann so platziert ist, dass er gegen Umgebungslicht abgeschottet
ist und nur von den LED-Modulen abgestrahltes Licht empfangen kann.
Diese Abschottung kann durch eine Abdeckung erfolgen, die speziell
für die Kalibrierungsmessung angebracht wird. Auf dieser
Abdeckung 11 kann sich der Sensor 6 befinden.
Der Sensor 6 kann aber auch auf dem Reflektor 10 der
LED Leuchte platziert werden. Der Sensor 6 kann so platziert
sein, dass er direkt oder indirekt das Licht der LED 5 des
LED-Modules empfängt.
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Bei
der Kalibrierung können der Farbort und die Intensität
der LED 5 gespeichert werden.
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Bei
der Kalibrierung können die einzelnen LED Module nacheinander
eingeschaltet und kalibriert werden.
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Die
Kalibrierung kann zur Bestimmung der Farben der angeschlossenen
LED-Module dienen. Dabei werden die einzelnen Farben oder Farborte sowie
die Intensitäten der jeweils angesteuerten LEDs 5 bestimmt.
Aus der Kombination der einzelnen Kalibrierungsmessungen, die nacheinander
durchgeführt werden, kann die Zuordnung der Farben und
für die Ausgabe einer gewünschten Farbe durch
die LED Beleuchtung erforderliche Mischung der einzelnen LED 5 ermittelt
werden.
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Es
gemäß der Erfindung eine Leuchte mit LED aufgebaut
werden. Das Treiber-Modul kann einen Schaltregler, beispielsweise
einen AC-DC-Wandler, einen DC-DC-Wandler, eine Stromsenke oder eine
Stromquelle enthalten. Das Treiber-Modul kann einen PFC (aktive
Leistungsfaktorkorrekturschaltung) enthalten oder es kann dem Treiber-Modul
ein PFC (aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltung) vorgeschaltet
sein. Das Treiber-Modul kann eine Potentialtrennung aufweisen.
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Der
Betrieb der LEDs kann derart erfolgen, daß das LED-Modul
mit wenigstens einer LED von einem Treiber-Modul angesteuert wird,
und ein Speicher zur Hinterlegung von Informationen über
das LED-Modul vorhanden ist, wobei Informationen im Speicher abgelegt
oder abgeändert werden können. Die Informationen
im Speicher können aufgrund einer Kalibrierungsmessung
abgeändert werden.
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Das
Treiber-Modul kann durch einen Schaltregler oder auch durch eine
Stromsenke oder eine Stromquelle gebildet werden. Wenn als Treiber-Modul
ein Schaltregler genutzt wird, dann kann dieser intern mit einer
höheren Frequenz als der Frequenz arbeiten, mit der die
LED oder das LED-Modul angesteuert werden. Die interne Frequenz,
mit der der Schalter des Schaltreglers angesteuert wird, kann im Bereich
von 10 kHz bis zu einigen MHz liegen, während dieser internen
Frequenz eine niedrige Frequenz überlagert wird, die der
Frequenz des wenigstens einen PWM-Paketes entspricht.
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Die
Informationen im Speicher können um einen Korrekturfaktor
abgeändert werden.
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Somit
wird ein Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei Leuchtmitteln
ermöglicht, wobei durch eine gemeinsame elektrische Versorgungseinheit
elektrische Energie an wenigstens zwei Leuchtmittelanordnungen,
jeweils bestehend aus einem oder mehreren Leuchtmitteln, zur Verfügung
gestellt wird, wobei einer ersten Leuchtmittelanordnung und wenigstens
einer zweiten Leuchtmittelanordnung elektrische Energie in Form
von PWM-Paketen zugeführt wird, wobei zwischen den unterschiedlichen Leuchtmittelanordnungen
die zeitliche Abfolge der PWM-Pakete abgestimmt ist.
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Beispiele
für die Ansteuerung von drei Leuchtmittelanordnungen sind
in den 3 und 4 dargestellt, wobei den Leuchtmittelanordnungen
elektrische Energie in Form von PWM-Paketen zugeführt werden
kann.
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Die
wenigstens zwei Leuchtmittelanordnungen können so angesteuert
werden, dass der zeitliche Mittelpunkt eines PWM-Pakets der ersten Leuchtmittelanordnung
mit dem zeitlichen Mittelpunkt eines PWM-Pakets wenigstens einer
zweiten Leuchtmittelanordnung übereinstimmt bzw. zeitlich nah
aufeinanderfolgt. In 4 ist ein Beispiel für
eine Ansteuerung mit einem Versatz der zeitlichen Mittelpunkte der
einzelnen PWM-Signale dargestellt.
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Die
Abstimmung der zeitlichen Abfolge der PWM-Pakete kann über
den gesamten Dimmbereich der Leuchtmittel erfolgen.
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Die
wenigstens zwei Leuchtmittelanordnungen können so angesteuert
werden, dass alternativ oder zusätzlich die zeitlichen
Mittelpunkte der PWM-Pakete der Leuchtmittelanordnungen mit einem
Offset-Wert zeitlich gegeneinander verschoben sind, damit die Flanken
der PWM-Pakete an die Leuchtmittelanordnungen nicht zeitgleich erfolgen.
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Es
kann wenigstens zeitweise die Einschaltflanke wenigstens eines von
mehreren parallelen PWM-Signalen (d. h. die die PWM-Pakete etnhaltenden
Signale) zeitlich zu wenigstens einem weiteren PWM-Signal verschoben
sein, so dass das Problem der simultanen PWM-Ansteuerung nicht mehr
besteht. Dieser Versatz (Offset-Wert) kann intern oder extern variierbar
sein oder aber fest vorgegeben sein. Insbesondere könnte
beispielsweise der Versatz der gesamten Ausschaltphase eines PWM-Signals
entsprechen, d. h., bei unverändertem Tastverhältnis wird
die entsprechende LED innerhalb einer PWM-Periode zunächst ausgeschaltet
und dann eingeschaltet. Ein PWM-Signal kann also invertiert sein, d.
h. beim Start eines jeden Zyklus, getriggert bspw. durch ein Interrupt-Signal,
kann zuerst die Ausschaltphase und erst dann die Einschaltphase
der LED angesteuert werden.
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Alternativ
hierzu könnte der Versatz auch derart gewählt
werden, dass die Einschaltflanken für die PWM-Signale gleichmäßig
verteilt über die PWM-Periode generiert werden. Eine dritte
Alternative besteht darin, denn Versatz zufällig zu wählen.
In 3 ist ein Beispiel eine Ansteuerung mit einem Versatz
der einzelnen PWM-Signale dargestellt.
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Der
Versatz kann bereits bei der Erzeugung der PWM-Signale vorliegen,
oder aber bei simultan erzeugten PWM-Signalen auf der Strecke zwischen der
PWM-Erzeugung und den LEDs gezielt eingefügt werden.
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Die
PWM-Signale können ausgehend von einem oder aber auch von
mehreren Taktgebern erzeugt werden.
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Der
Offset-Wert kann abhängig vom Dimmlevel der Leuchtmittel
gewählt werden.
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Es
kann sich auch die Frequenz wenigstens eines PWM-Signals wenigstens
zeitweise zeitlich verändern, so dass eine kombinierte
PWM/FM (Frequenzmodulation vorliegt). Dabei wäre es beispielsweise
denkbar, die Frequenz abhängig von dem Tastverhältnis
des PWM-Signals einzustellen.
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Alternativ
oder zusätzlich kann sich auch die Frequenz wenigstens
eines PWM-Signals wenigstens zeitweise von der wenigstens eines
weiteren PWM-Signals unterscheiden. Dazu kann wiederum ein oder
mehrere Taktgeber vorliegen. Bspw. kann eine Frequenz das Vielfache
einer weiteren Frequenz betragen. Wenigstens eine Frequenz kann nach
Erzeugung einheitlicher PWM-Schaltfrequenzen bspw. durch einen Kondensator
verschoben werden.
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Eine
rein beispielsweise geschilderte und keineswegs einschränkende
Implementierung kann bspw. wie folgt sein: Für jeden PWM-Kanal
oder wenigstens einen abweichenden PWM-Kanal kann unabhängig
der notwendige PWM-Stellwert gerechnet wird und das Resultat in
ein Hardwareregister geschrieben wird.
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Die
Hardware übernimmt dann den neuen Wert beim Nächsten
Nulldurchgang der Periode. Durch das Center PWM Verfahren (Dreieck
wie in 4 dargestellt) kommt bei unterschiedlicher PWM Stellung
keine der Flanken direkt zur gleichen Zeit zum Wechsel bei bis zu
vier Kanälen. Die einzige Ausnahme ist hier bei gleicher
Dimmstellung fallen alle Flanken aufeinander, die könnte
aber als Verbesserung nach der Berechnung so integriert werden, das
mit der PWM Auflösung gespielt wird, d. h. dass man bewusst
die Kanäle um jeweils 1 Bit PWM verschiebt um eine Verwischung
zu erreichen.
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Diese
Verschiebung kann man dann z. B. pro Periode zusätzlich
noch abändern, sodass der Mittelwert über die
Zeit wiederum Stabil ist.
(T0 = 1022, 1024, 1021, 1025 → T0
+ 1 = 1024, 1022, 1025, 1021 → T0 + 2 = 1022, 1024, 1021,
1025)
da der Step dann alle 10 ms ist, sollte es noch nicht als
Flackern wahrgenommen werden, zudem wählen wir die Auflösung
jeweils recht hoch, sodass ein Bit Versatz nicht viel ausmachen
dürfte.
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Die
Leuchtmittel der ersten und/oder wenigstens der zweiten Leuchtmittelanordnung
können anorganische oder organische Leuchtdioden sein.
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Die
Leuchtmittel der ersten und/oder wenigstens der zweiten Leuchtmittelanordnung
können ein unterschiedliches Lichtspektrum emittieren.
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Somit
kann ein Betriebsgerät ermöglicht werden, in dem
oben angeführte Verfahren durchgeführt werden
können.
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Somit
kann ein Beleuchtungssystem ermöglicht werden, welches
wenigstens zwei Leuchtmittel aufweist, in dem ein oben angeführtes
Verfahren bzw. Betriebsgerät zur Anwendung gelangt.
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In 2 ist
schematisch eine Schaltung zum geregelten Betrieb von Leuchtdioden
(LED) gezeigt, die ein Beispiel für ein Treiber-Modul darstellt.
Im dargestellten Beispiel sind zwei Leuchtdioden in Serie geschaltet,
indessen ist es gerade ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass
sich die Betriebsschaltung sehr flexibel an die Art und die Anzahl
der ebenfalls seriell verbundenen Leuchtdioden (LED) anpasst.
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Der
Betriebsschaltung wird eine Eingangs-Gleichspannung Vin zugeführt,
die natürlich auch eine gleichgerichtete Wechselspannung
sein kann.
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Eine
Serienschaltung zwischen einem Halbleiter-Leistungsschalter S1 (beispielsweise
einem MOSFET) und einer Freilaufdiode D1 energetisiert in eingeschaltetem
Zustand des Schalters S1 eine Induktivität L1 mittels des
durch den Schalter fliessenden Stroms. Im ausgeschalteten Zustand
des Schalters S1 entlädt sich die in der Spule L1 gespeicherte Energie
in Form eines Stroms i durch einen Kondensator C1 und die Leuchtdiodenstrecke
LED.
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Es
ist eine Steuer- und/oder Regelschaltung SR vorgesehen, die als
Stellgrösse der Regelung der Leuchtdiodenleistung die Taktung
des Schalters S1 beispielsweise in Form von hochfreuqenten modulierten
Signalen vorgibt. Die Steuer- und/oder Regelschaltung SR kann beispielsweise
eine hysteretische Stromregelung anwenden.
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Mittels
eines Messwiderstands RS erfasst die Steuer- und/oder Regelschaltung
SR den Strom durch den Schalter S1 (im eingeschalteten Zustand des
Schalters S1).
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Über
einen Spannungsteiler R1, R2 kann die Steuer- und/oder Regeleinheit
SR das Potential auf der potentialniedrigeren Seite der LED-Strecke
erfassen.
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Ein
weiterer Spannungsteiler R3, R4 ermöglicht die Erfassung
der Versorgungsspannung.
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Das
Treiber-Modul wird in diesem Beispiel durch einen Buck-Konverter
gebildet, kann aber auch beispielweise durch einen Boost-Konverter, Buck-Boost-Konverter
oder anderen Schaltregler oder auch durch eine Stromsenke oder eine
Stromquelle gebildet werden. Der Schalter S1 wird intern durch die
Steuer- und/oder Regelschaltung SR mit einer höheren Frequenz
als der Frequenz angesteuert, als mit der die LED oder das LED-Modul
angesteuert werden. Die interne Frequenz, mit der der Schalter S1
des Schaltreglers angesteuert wird, kann im Bereich von 10 kHz bis
zu einigen MHz liegen, während dieser internen Frequenz
eine niedrige Frequenz überlagert wird, die der Frequenz
des wenigstens einen PWM-Paketes entspricht. Somit kann das LED-Modul
mit einem PWM-Paket mit niedriger Frequenz angesteuert werden, wobei
das PWM-Paket einen Rippel aufgrund des hochfrequenten Betriebes des
Schalters S1 des Treiber-Moduls während der Einschaltzeit
aufweisen kann. Der Rippel, der sich aufgrund des hochfrequenten
Betriebes des Schalters S1 des Treiber-Moduls ergeben kann, kann durch
den Kondensator C1 verringert werden.
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Die
niedrige Frequenz des wenigstens einen PWM-Paketes, die überlagert
wird, kann durch einen externen Controller wie beispielsweise einen
Microcontroller oder eine andere zentrale Steuereinheit vorgegeben
werden. Durch die Ansteuerung des Treiber-Modul mit solchen niederfrequenten PWM-Paketen
kann das Treiber-Modul zeitweise deaktiviert werden und somit durch
die PWM-Pakete eine Helligkeitssteuerung und bei Einsatz verschiedener
Lichtspektren der Leuchtmittel eine Farbmischung erreicht werden.
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Beispielsweise
können für eine RGB-Farbmischung die drei Farben
des RGB-LED-Moduls von jeweils einem Treiber-Modul angesteuert werden, wobei
die drei Treiber-Module über drei PWM-Kanäle angesteuert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1016062 [0005]
- - US 5420482 [0006]