DE102009018428A1

DE102009018428A1 - Schaltung für eine Leuchtdiodenanordnung und Leuchtdiodenmodul

Info

Publication number: DE102009018428A1
Application number: DE102009018428A
Authority: DE
Inventors: Mustafa Dinc
Original assignee: Vishay Electronic GmbH
Current assignee: Vishay Electronic GmbH
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-10-28
Also published as: US20120112647A1; US9277608B2; RU2539878C2; EP2409549A1; WO2010121806A1; RU2011147197A

Abstract

Eine Schaltung zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung, wobei die Leuchtdiodenanordnung mehrere parallel geschaltete Stränge von einer oder mehreren in Reihe angeordneten Leuchtdioden aufweist, durch die im Betriebszustand ein jeweiliger Teilstrom eines durch die Leuchtdiodenanordnung fließenden Betriebsstrom fließt, umfasst eine Stromquelle zur Bereitstellung des Betriebsstroms. Die Schaltung ist ausgebildet, um den größten Teilstrom zu erkennen und einen von der Teilstromquelle bereitgestellten Betriebswert auf der Grundlage dieses größten Teilstroms so zu regeln, dass keiner der Teilströme einen vorgegebenen Maximalstrom überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung, wobei die Leuchtdiodenanordnung mehrere parallel geschaltete Stränge von einer oder mehreren in Reihe angeordneten Leuchtdioden aufweist, durch die im Betriebszustand ein jeweiliger Teilstrom eines durch die Leuchtdiodenanordnung fließenden Betriebsstroms fließt.
Der Fortschritt bei der Entwicklung von Leuchtdioden, insbesondere bei weißen Hochleistungs-Leuchtdioden, macht diese zunehmend auch für den Einsatz in Leuchten, beispielsweise Straßenleuchten, oder für andere Beleuchtungszwecke, beispielsweise als Hintergrundbeleuchtung für LCD- oder TFT-Displays interessant. Um in Abhängigkeit von der Anwendung eine ausreichende Beleuchtungsstärke zu erzielen, werden mehrere Leuchtdioden zu einer bestimmten Leuchtdiodenanordnung zusammengesetzt. Um einen vereinfachten Schaltungsaufbau zu erzielen, und damit die für einen Betrieb der Leuchtdiodenanordnung erforderlichen Betriebsspannungen und Betriebsströme ein geeignetes Verhältnis zueinander aufweisen, werden die Leuchtdioden in mehreren parallelen Strängen angeordnet, die jeweils eine oder mehrere in Reihe geschaltete Leuchtdioden umfassen.
Üblicherweise wird eine Konstantstromquelle vorgesehen, welche den gesamten durch die Leuchtdiodenanordnung fließenden Betriebsstrom bereitstellt, wobei eine Regelung oder Begrenzung des durch alle Stränge fließenden Summenstroms vorgesehen sein kann. Falls die Betriebspara meter der Leuchtdioden, beispielsweise die Vorwärtsspannung oder der zulässige Maximalstrom, innerhalb eines engen Toleranzbereichs liegen, und falls aufgrund einer geeigneten Anordnung der Leuchtdioden etwaige Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Leuchtdioden gering sind, wird sich der Gesamtstrom gleichmäßig auf die einzelnen Stränge verteilen.
Ein Problem tritt jedoch dann auf, wenn es zu Defekten bei einzelnen Leuchtdioden kommt. Derartige Defekte haben in den weitaus meisten Fällen zur Folge, dass der Innenwiderstand der Leuchtdiode sehr hoch wird bzw. es zu einer Unterbrechung des elektrischen Stroms in der Leuchtdiode kommt, da für einen Leuchtdiodenausfall in der Regel ein Durchbrennen eines Bonddrahtes verantwortlich ist. Dies bedingt, dass in dem betreffenden Strang nur noch ein sehr geringer oder überhaupt kein Strom mehr fließt, so dass sich bei einer Parallelschaltung der Gesamtstrom auf die verbleibenden Stränge verteilt und einen Anstieg der durch die einzelnen Stränge fließenden Teilströme zur Folge hat. Da die Leuchtdioden zur Erzielung der größtmöglichen Helligkeit in der Regel annähernd mit dem zulässigen Maximalstrom betrieben werden, bewirkt jeder weitere Anstieg der Teilströme eine Überlastung der Leuchtdioden in den verbleibenden Strängen, so dass es innerhalb von kurzer Zeit zu einem Leistungsabfall und letztlich zu einem Totalausfall der Leuchtdiodenanordnung kommt.
Eine derartige Kettenreaktion kann vermieden werden, wenn zusätzlich zu einer Regelung des Gesamtstroms in jedem einzelnen Strang weitere Mittel zur Stromregelung oder -begrenzung vorgesehen sind, wie es beispielsweise EP 1 079 667 A2 offenbart. Eine derartige Lösung verursacht jedoch höhere Herstellungs- und Betriebskosten, da sich einerseits der Schaltungsaufwand wesentlich vergrößert und andererseits die Leistungsver luste durch die zusätzlichen Linearregler ansteigen, was zu einer Verminderung des Gesamtwirkungsgrads führt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstige Schaltung zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung mit mehreren parallel geschalteten Strängen von jeweils einer oder mehreren in Reihe angeordneten Leuchtdioden zu schaffen, welche auch bei einem Defekt einer Leuchtdiode einen zuverlässigen Weiterbetrieb der Leuchtdiodenanordnung ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere durch eine Schaltung zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung, wobei die Leuchtdiodenanordnung mehrere parallel geschaltete Stränge von einer oder mehreren in Reihe angeordnete Leuchtdioden aufweist, durch die im Betriebszustand ein jeweiliger Teilstrom eines durch die Leuchtdiodenanordnung fließenden Betriebsstroms fließt. Die Schaltung umfasst eine Stromquelle zur Bereitstellung des Betriebsstroms und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung ausgebildet ist, um den größten Teilstrom zu erkennen und einen von der Stromquelle bereitgestellten Betriebswert auf der Grundlage dieses größten Teilstroms so zu regeln, dass keiner der Teilströme einen vorgegebenen Maximalstrom überschreitet.
Der von der Stromquelle bereitgestellte Betriebswert, beispielsweise ein Betriebsstrom oder eine Betriebsspannung, wird also so weit begrenzt, dass jeder Teilstrom einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
Kommt es beispielsweise aufgrund eines Defekts oder Ausfalls einer Leuchtdiode in einem bestimmten Strang zu einer Unterbrechung dieses Strangs, wird der betreffende Teilstrom in diesem Strang gleich Null. We gen der Parallelschaltung der Stränge verteilt sich dieser Teilstrom auf die verbleibenden Stränge, so dass es hier ohne entsprechende Maßnahmen zu einem Anstieg der übrigen Teilströme kommen würde. Dem wirkt jedoch die erfindungsgemäße Schaltung entgegen, indem sie den von der Stromquelle bereitgestellten Betriebswert soweit absenkt, dass alle Teilströme in den verbleibenden Strängen kleiner oder gleich dem vorgegebenen Maximalstrom sind.
Die Schaltung kompensiert also auf zuverlässige Weise den Ausfall von einer oder mehreren Leuchtdioden, so dass ein Ausfall der gesamten Leuchtdiodenanordnung oder eine thermische Schädigung der übrigen Leuchtdioden durch Überstrom vermieden wird.
Es sei erwähnt, dass mit der Schaltung nicht nur der Ausfall eines einzigen Strangs kompensiert werden kann, sondern auch bei einer Unterbrechung mehrerer Stränge die verbleibenden Stränge zuverlässig vor einer Überlastung und einem damit verbundenen Ausfall weiterer Leuchtdioden geschützt werden. Dadurch wird eine Verkürzung der Lebensdauer der intakten Leuchtdioden vermieden, so dass nach einem Ausfall einzelner Leuchtdioden lediglich diese Leuchtdioden getauscht werden müssen. Bis zu einem Austausch der defekten Leuchtdioden kann die Leuchtdiodenanordnung problemlos weiterbetrieben werden, ohne einen überlastbedingten Ausfall weiterer Leuchtdioden oder gar einen Totalausfall der gesamten Anordnung befürchten zu müssen.
Grundsätzlich ist die Anzahl der mittels der erfindungsgemäßen Schaltung parallel zu betreibenden Stränge beliebig und alleine durch die Leistungsfähigkeit der Stromquelle beschränkt. Das Gleiche gilt für die Anzahl der Leuchtdioden pro Strang. Es sollte jedoch im Hinblick auf optimale Betriebsverhältnisse beachtet werden, dass die Leuchtdioden so ausge wählt werden, dass alle Leuchtdioden in der Anordnung eine vergleichbare Charakteristik, z. B. hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit der Vorwärtsspannung, aufweisen, so dass sich die Teilströme in den einzelnen Strängen unter normalen Betriebsbedingungen nicht wesentlich voneinander unterscheiden. Dies stellt auch sicher, dass alle Leuchtdioden mit annähernd gleicher Helligkeit leuchten.
Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt es weiterhin, die Leuchtdiodenanordnung mit einem für den verwendeten Leuchtdiodentyp maximal zulässigen Strom zu betreiben. Damit entfällt die Notwendigkeit, zur Kompensation eines etwaigen Ausfalls eines einzelnen Strangs die einzelnen Stränge mit einem um eine entsprechende Sicherheitsmarge verminderten Strom zu betreiben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltung ausgebildet, um eine Steuerspannung an die Stromquelle zu liefern, wobei der Betriebswert auf der Grundlage der Höhe der Steuerspannung regelbar ist. Es können damit gebräuchliche Stromquellen eingesetzt werden, welche an ihrem Regeleingang eine Spannung als Steuergröße erwarten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltung eine Anordnung zur Bereitstellung der Steuerspannung auf, welche eine Mehrzahl von ersten Dioden, deren Kathoden an einen Steuerspannungsreferenzknotenpunkt miteinander verbunden sind, und eine Mehrzahl von zweiten Dioden umfasst, wobei im Betriebszustand jeweils die Kathode einer jeden zweiten Diode an einem Stranganschluss mit einem Strang verbunden ist, und eine Mehrzahl von ersten Widerständen, welche an ihrem ersten Anschluss mit einer ersten Hilfsspannungsquelle und an ihrem zweiten Anschluss mit der Anode einer jeweiligen ersten Diode der Anode einer jeweiligen zweiten Diode verbunden sind, so dass das Potenzial an dem Steuerspannungsreferenzknotenpunkt von dem höchsten Potenzial an den Stranganschlusspunkten abhängig ist.
Mittels dieser Anordnung ist es also möglich, das Potenzial an dem Steuerspannungsreferenzknotenpunkt derart einzustellen, dass es stets ein Maß für das Potenzial desjenigen Strangs in seinem Stranganschlusspunkt ist, in dem der höchste Teilstrom fließt.
Bevorzugt umfasst die Anordnung zur Bereitstellung der Steuerspannung ferner eine Spannungsteilerreihenschaltung mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Spannungsteilerwiderstand, wobei ein erster, dem ersten Spannungsteilerwiderstand zugeordneter Anschluss der Spannungsteilerreihenschaltung mit der ersten Hilfsspannungsquelle und ein zweiter, dem dritten Spannungsteilerwiderstand zugeordneter Anschluss der Spannungsteilerreihenschaltung mit einem Bezugspotenzial verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Spannungsteilerwiderstand mit den Kathoden der ersten Dioden verbunden ist und somit den genannten Steuerspannungsreferenzknotenpunkt bildet, und wobei die Steuerspannung an der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsteilerwiderstand bereitgestellt ist. Dadurch kann aus dem Potenzial im Steuerspannungsreferenzknotenpunkt eine zur Ansteuerung der Stromquelle geeignete Steuerspannung erzeugt werden.
Bevorzugt kann die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsteilerwiderstand mit dem Ausgang einer Überspannungsschutzschaltung verbunden sein, welche ausgebildet ist, um ein Überspannungssignal zu liefern, aufgrund dessen der von der Stromquelle bereitgestellte Betriebswert reduziert wird, wenn eine am Eingang der Überspannungsschaltung anliegende Betriebsspannung einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet. Damit wird zur zusätzlichen Absicherung der Leuchtdiodenanordnung vor Überströmen eine Begrenzung der von der Stromquelle erzeugten Ausgangsspannung realisiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anordnung zur Bereitstellung der Steuerspannung ferner eine Mehrzahl von zweiten Widerständen, welche an ihrem ersten Anschluss mit einem Bezugspotenzial und an ihrem zweiten Anschluss mit einem jeweiligen Stranganschlusspunkt verbunden sind. Diese Widerstände dienen der Erzeugung eines bestimmten Potenzials an den Stranganschlusspunkten in Abhängigkeit von den Teilströmen, auf dessen Grundlage letztlich eine entsprechende Steuerspannung bereitgestellt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Schaltung Erkennungsmittel zur Erkennung einer wesentlichen Erhöhung des elektrischen Widerstandes oder einer Unterbrechung in einem Strang. Durch diese Erkennungsmittel ist es möglich, den Ausfall von Leuchtdioden in einem oder mehreren Strängen zu erkennen.
Vorteilhafterweise umfassen die Erkennungsmittel eine Mehrzahl von dritten Dioden, von denen jede an ihrer Kathode mit dem zweiten Anschluss eines der zweiten Widerstände und an ihrer Anode über einen vierten Spannungsteilerwiderstand mit einer zweiten Hilfsspannungsquelle verbunden ist, wobei an der Verbindung zwischen den Anoden der dritten Dioden und dem vierten Spannungsteilerwiderstand ein Anschluss vorgesehen ist, an dem ein Erkennungssignal bereitgestellt wird. Dieses Erkennungssignal wird ausgegeben, wenn es an dem zwischen dem zweiten Anschluss eines der zweiten Widerstände und an der Kathode einer dritten Diode ausgebildeten Knotenpunkt zu einer Potenzialveränderung aufgrund der Erhöhung des elektrischen Widerstandes oder einer Unterbrechung in einem Strang der Leuchtdiodenanordnung kommt.
Bevorzugt umfasst die Stromquelle einen Schaltregler, insbesondere einen Aufwärtswandler. Aufwärtswandler stellen eine Betriebsspannung bereit, welche höher ist als die Eingangsspannung des Aufwärtswandlers, so dass mit einfachen Mitteln auch Leuchtdiodenanordnungen betrieben werden können, bei denen die Summe der Vorwärtsspannungen der in Reihe angeordneten Leuchtdioden höher ist als die für die Schaltung zur Verfügung stehende Eingangsspannung. Somit kann die Schaltung beispielsweise in Verbindung mit Solarstromerzeugern verwendet werden, die in der Regel eine Gleichspannung von 12 V zur Verfügung stellen.
Vorteilhafterweise umfasst die Stromquelle Mittel zur getakteten Ansteuerung des Schaltreglers. Durch die Wahl einer geeigneten Taktfrequenz und/oder eines geeigneten Tastverhältnisses kann dadurch der Betriebswert der Stromquelle verändert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltung Dimmungsmittel zur Dimmung der Leuchtdiodenanordnung auf.
Die Dimmungsmittel können z. B. eine Pulsweitenmodulation umfassen, durch welche der Betriebsstrom mit einer bestimmten Frequenz getaktet wird. Dabei wird die Frequenz der Unterbrechungen so gewählt, dass das menschliche Auge diese nicht mehr als ein Flimmern wahrnimmt. Das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit, bestimmt hierbei die Helligkeit des von der Leuchtdiodenanordnung abgestrahlten Lichts. Durch eine Pulsweitenmodulation des Betriebsstroms ist eine weitgehend verlustfreie Dimmung der Leuchtdiodenanordnung möglich.
Die Dimmungsmittel können bevorzugt zwischen den ersten Anschlüssen der zweiten Widerstände und dem Bezugspotenzial vorgesehen sein.
Bevorzugt ist, wenn die Schaltung ein Schnittstellenmodul zur Datenkommunikation aufweist, welche zur Bereitstellung eines Fehlersignals aufgrund der Erkennung einer wesentlichen Erhöhung des Widerstands oder einer Unterbrechung in einem Strang ausgebildet ist. Das Schnittstellenmodul ermöglicht es, einen Ausfall eines Strangs der Leuchtdiodenanordnung mittels drahtloser oder drahtgebundener Kommunikation zu melden. Wenn mehrere erfindungsgemäße Schaltungen zu einer Betriebseinheit zusammengefasst sind, beispielsweise im Falle einer Straßenbeleuchtung, bei der eine große Anzahl von Leuchten überwacht werden muss, ist es möglich, eine defekte Leuchte rasch zu identifizieren, wenn dieses Fehlersignal Adressangaben umfasst, die eine Identifizierung der defekten Leuchte ermöglicht. Es entfällt die Notwendigkeit, die Leuchten in regelmäßigen Abständen durch Inaugenscheinnahme auf ihre Funktion zu überprüfen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schnittstellenmodul ausgebildet, um das Fehlersignal auf der Grundlage einer Verringerung der an den Anoden der dritten Dioden bereitgestellten Spannung zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Leuchtdiodenmodul eine Leuchtdiodenanordnung mit mehreren parallel geschalteten Strängen von einer oder mehreren in Reihe angeord neten Leuchtdioden und eine Schaltung zum Betreiben der Leuchtdiodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Grundsätzlich ist es auch möglich, in einem Leuchtdiodenmodul auch zwei oder mehr erfindungsgemäße Schaltungen mit einer jeweiligen Leuchtdiodenanordnung zusammenzufassen, wobei alle Schaltungen des Leuchtdiodenmoduls mit einem einzigen Schnittstellenmodul verbunden sind. Dieses gemeinsame Schnittstellenmodul verfügt folglich über mehrere Eingänge, über den jeweils eine erfindungsgemäße Schaltung überwacht werden kann. Dabei kann das ausgegebene Fehlersignal Angaben enthalten, welche der überwachten Schaltungen tatsächlich einen Fehler aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Diese zeigt gemäß 1 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltung bzw. eines erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmoduls.
Eine erfindungsgemäße Schaltung 10 umfasst eine an sich bekannte, als Aufwärtswandler ausgestaltete Stromquelle 12, welche eine Anordnung von mehreren Induktivitäten und Kapazitäten, eine Schottkydiode S1 und einen MOS-Transistor M1 umfasst. Weiterhin ist ein Treiber-IC IC1 vorgesehen, welches an seinem Treiberausgang DRV mit dem MOS-Transistor M1 verbunden ist. Dieser wird durch das Treiber-IC IC1 getaktet, um letztlich eine an Eingangsklemmen K1, K2 der Stromquelle 12 anliegende Eingangsspannung in eine Betriebsspannung zu wandeln, welche zwi schen einer Ausgangsklemme K3 und einem Bezugspotenzial, d. h. einer gemeinsamen Masse, zur Verfügung steht.
Das Treiber-IC IC1 ist mit seinen Masseausgängen GND mit dem Bezugspotenzial verbunden und verfügt über einen Steuereingang SE. Die Höhe der von der Stromquelle 12 zur Verfügung gestellten Betriebsspannung hängt dabei von der Höhe einer am Steuereingang SE angelegten Steuerspannung ab. Falls als Treiber-IC IC1 beispielsweise ein IC vom Typ Elmos E910.26 zum Einsatz kommt, führt eine Steuerspannung < 1,22 V zu einer Erhöhung der Betriebsspannung, während eine Steuerspannung > 1,22 V zu einer Verminderung der Betriebsspannung führt.
Ferner stellt das Treiber-IC IC1 an einem Hilfsspannungsausgang UH1 eine erste Hilfsspannungsquelle zur Verfügung. Die Höhe der Hilfsspannung beträgt im Falle des Elmos E910.26 5 V.
Eine Leuchtdiodenanordnung 14 umfasst vier parallel geschaltete Stränge S1 bis S4 von jeweils vier in Reihe angeordneten Leuchtdioden 16, wobei die anodenseitigen Anschlüsse der Stränge S1 bis S4 miteinander und mit dem Ausgang K3 der Stromquelle 12 verbunden sind und ein jeweiliger kathodenseitiger Anschluss eines Strangs S1 bis S4 mit einem jeweiligen Stranganschlusspunkt AP1 bis AP4 der Schaltung 10 verbunden ist.
Es versteht sich, dass sowohl die Anzahl von Leuchtdioden 16 je Strang S1 bis S4 als auch die Anzahl von Strängen S1 bis S4 nur beispielhaft ist. An die erfindungsgemäße Schaltung 10 können Leuchtdiodenanordnungen angeschlossen werden, bei denen sowohl die Anzahl an Leuchtdioden je Strang als auch die Anzahl der Stränge größer oder kleiner als vier ist.
Die Schaltung 10 weist vier erste Dioden D11 bis D14 auf, deren Kathoden an einem Steuerspannungsreferenzknotenpunkt KP1 miteinander verbunden sind. Weiterhin sind vier zweite Dioden D21 bis D24 vorgesehen, deren jeweilige Kathode mit einem jeweiligen Stranganschlusspunkt AP1 bis AP4 verbunden ist. Vier erste Widerstände R11 bis R14 sind an ihrem ersten Anschluss mit dem Hilfsspannungsausgang UH1 des Treiber-ICs IC1 verbunden. Ein jeweiliger zweiter Anschluss der Widerstände R11 bis R14 ist mit der Anode einer jeweiligen ersten Diode D11 bis D14 und der Anode einer jeweiligen zweiten Diode D21 bis D24 verbunden.
Vier zweite Widerstände R21 bis R24 sind an ihrem ersten Anschluss miteinander verbunden, während der zweite Anschluss eines jeweiligen zweiten Widerstands R21 bis R24 mit einem jeweiligen Stranganschlusspunkt AP1 bis AP4 verbunden ist.
In einer ersten Variante sind die miteinander verbundenen ersten Anschlüsse der zweiten Widerstände R21 bis R24 unmittelbar mit dem Bezugspotenzial verbunden.
In einer zweiten Variante sind die miteinander verbundenen ersten Anschlüsse der zweiten Widerstände R21 bis R24 mit einer Dimmungsschaltung 18 verbunden, welche in Abhängigkeit von einem an einem Eingang K5 der Dimmungsschaltung 18 anliegenden getakteten Steuersignal die zweiten Anschlüsse der Widerstände R21 bis R24 mittels eines MOS-Transistors M2 wahlweise mit dem Bezugspotenzial verbindet. Die Dimmungsschaltung 18 arbeitet nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation, d. h. das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit des MOS-Transistors M2 bestimmt die Helligkeit des von der Leuchtdiodenanordnung 14 abgestrahlten Lichts.
Als Mittel für eine Fehlererkennung eines Ausfalls eines Stranges sind vier dritte Dioden D31 bis D34 vorgesehen, von denen jede an ihrer Kathode mit dem zweiten Anschluss eines der zweiten Widerstände R21 bis R24 und an ihrer Anode über einen vierten Spannungsteilerwiderstand RT4 mit einer an einer Klemme K4 angeschlossenen zweiten Hilfsspannungsquelle verbunden ist. Der zweite Pol der zweiten Hilfsspannungsquelle ist mit dem Bezugspotenzial verbunden. Grundsätzlich kann die Schaltung 10 aber auch ohne die vorstehend genannten Mittel zur Fehlererkennung ausgeführt sein.
Ein erster Spannungsteilerwiderstand RT1 einer Spannungsteilerreihenschaltung ist an seinem einen Anschluss mit dem Hilfsspannungsausgang UH1 bzw. mit den ersten Anschlüssen der vier ersten Widerstände R11 bis R14 und mit seinem anderen Anschluss mit einem Steuerspannungsknotenpunkt KP2 verbunden. Dieser Steuerspannungsknotenpunkt KP2 ist wiederum mit dem Steuereingang des Treiber-ICs IC1 sowie mit dem einen Anschluss eines zweiten Spannungsteilerwiderstands RT2 verbunden. Der andere Anschluss des Spannungsteilerwiderstands RT2 ist mit dem Steuerspannungsreferenzknotenpunkt KP1 verbunden. Ein dritter Spannungsteilerwiderstand RT3 ist mit seinem einen Anschluss ebenfalls mit dem Steuerspannungsreferenzknotenpunkt KP1 und mit seinem anderen Anschluss mit dem Bezugspotenzial verbunden.
Der Steuerspannungsknotenpunkt KP2 kann zusätzlich mit dem Ausgang einer Überspannungsschutzschaltung 20 verbunden sein, welche eine Zenerdiode ZD1 aufweist. Die Zenerdiode ZD1 ist mit der von der Stromquelle 12 erzeugten Betriebsspannung und über einen Widerstand mit dem Bezugspotenzial verbunden. Beim Überschreiten der Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD1 erfolgt am Steuerspannungsknotenpunkt KP2 eine Erhöhung der Steuerspannung, so dass das Treiber-IC IC1 die von der Stromquelle 12 erzeugte Betriebsspannung so weit verringert, bis die Zenerdiode ZD1 wieder sperrt.
Als Mittel für eine Fehlererkennung eines Ausfalls eines Stranges sind vier dritte Dioden D31 bis D34 vorgesehen, von denen jede an ihrer Kathode mit dem zweiten Anschluss eines der zweiten Widerstände R21 bis R24 und an ihrer Anode über einen vierten Spannungsteilerwiderstand RT4 mit einer an einer Klemme K4 angeschlossenen zweiten Hilfsspannungsquelle verbunden ist. Der zweite Pol der zweiten Hilfsspannungsquelle ist mit dem Bezugspotenzial verbunden. Grundsätzlich kann die Schaltung 10 aber auch ohne die vorstehend genannten Mittel zur Fehlererkennung ausgeführt sein.
Ergänzend sei angemerkt, dass die letzte Ziffer der Bezugszeichen für die ersten, zweiten und dritten Dioden D11 bis D14, D21 bis D24, D31 bis D34 und der ersten und zweiten Widerstände R11 bis R14, R21 bis R24 den Ziffern der Bezugszeichen derjenigen Stränge S1 bis S4 und Stranganschlusspunkte AP1 bis AP4 entspricht, denen die jeweiligen Dioden bzw. Widerstände zugeordnet sind.
Nachfolgend wird zuerst die Funktion der Schaltung 10 im Hinblick auf die Regelung des Betriebswerts der Stromquelle 12 beschrieben. Sofern nachfolgend der Ausdruck „Potenzial” im Hinblick auf einen bestimmten Punkt in der Schaltung 10 verwendet wird und nichts Näheres bestimmt ist, bezieht sich der Ausdruck „Potenzial” auf ein Potenzial bzw. eine Spannung zwischen diesem Punkt und dem Bezugspotenzial.
Im Folgenden werden beispielhaft die durch den Strang S1 und durch die diesem Strang S1 zugeordneten Widerstände R11 und R21 und Dioden D11 und D21 fließenden Ströme betrachtet. Durch den Strang S1 und durch den Widerstand R21 fließt ein Teilstrom, welcher zu einem bestimmten Potenzial am Stranganschlusspunkt AP1 führt. Weiterhin fließt ein geringer Strom vom Hilfsspannungsausgang UH1 durch die Spannungsteilerwiderstände RT1, RT2 und RT3 der Spannungsteilerreihenschaltung, wodurch sich am Steuerspannungsreferenzknotenpunkt KP1 ebenfalls ein bestimmtes Potenzial einstellt. Das aus den Dioden D11 und D21 bestehende Diodenpaar sorgt dafür, dass die Potenziale am Stranganschlusspunkt AP1 und am Steuerspannungsreferenzknotenpunkt KP1 gleich sind.
Kommt es nun zu einem Anstieg des durch den Strang S1 fließenden Teilstroms, beispielsweise durch eine Unterbrechung in einem der übrigen Stränge S2 bis S4, welche zu einer Verteilung des betreffenden Teilstroms auf die nicht unterbrochenen Stränge führt, steigt infolgedessen auch das Potenzial in einem Knotenpunkt KP3, an dem die Dioden D11 und D21 sowie der Widerstand R12 verbunden sind. Aufgrund dieses Potenzialanstiegs am Knotenpunkt KP3 erhöht sich der Stromfluss durch die erste Diode D11, was wiederum zu einem Potenzialanstieg am Steuerspannungsreferenzknotenpunkt KP1 führt. Mit diesem Potenzialanstieg am Steuerspannungsreferenzknotenpunkt KP1 ist auch ein Spannungsanstieg am Steuerspannungsknotenpunkt KP2 verbunden, d. h. die am Steuereingang SE anliegende Spannung erhöht sich.
Dieser Anstieg der Steuerspannung führt dazu, dass die Stromquelle 12 ihren Betriebswert, d. h. ihre Ausgangsspannung, soweit verringert, dass der Strom in der Leuchtdiodenanordnung 14 und insbesondere im Strang S1 fällt. Dadurch fallen auch die Spannungen an den Knotenpunkten KP3, KP1 und KP2 solange, bis die Steuerspannung am Steuereingang SE ihren Sollwert erreicht hat. Die vorstehend beschriebene Regelung trifft jeweils auch auf die übrigen Stränge S2 bis S4 zu.
Jedoch ist für das Potenzial am Steuerspannungsreferenzknotenpunkt KP1 nur der Strang mit dem höchsten Teilstrom maßgeblich. Nur die Diode der ersten Dioden D11 bis D14, die diesem Strang zugeordnet ist, ist leitend. An den übrigen Dioden liegt eine in Flussrichtung gesehen niedrigere Spannung an, so dass diese daher weniger oder gar nicht leiten. Für die Höhe der Steuerspannung ist folglich nur das höchste der an den Stranganschlusspunkten AP1 bis AP4 vorliegenden Potenziale maßgeblich.
Kommt es im Betrieb der Schaltung zu einem Ausfall eines der Stränge S1 bis S4, so würde der Strom der verbleibenden drei Stränge um ein Drittel ansteigen. Die Schaltung 10 erkennt auf dem Strang mit dem höchsten Teilstrom einen zu hohen Spannungsabfall an einem der zweiten Widerstände R21 bis R24 und regelt die von der Stromquelle 12 am Ausgang K3 zur Verfügung gestellte Betriebsspannung so weit herunter, bis wieder der durch die Bemessung der Schaltung vorgegebene maximale Teilstrom pro Strang fließt.
Im Folgenden wird nun die Fehlererkennung beschrieben, mit der sich eine wesentliche Erhöhung des Widerstands oder einer Unterbrechung in einem der Stränge S1 bis S4 erkennen lässt.
Zunächst soll nur wieder der Strang S1 betrachtet werden. In diesem Strang S1 fließt über den Widerstand R21 ein bestimmter Teilstrom, so dass der zugehörige Stranganschlusspunkt AP1 auf einem bestimmten Potenzial liegt. Weiterhin fließt von der an den Anschluss K4 angeschlossenen zweiten Hilfsspannungsquelle ein gewisser Strom durch den Spannungsteilerwiderstand RT4, die dritte Diode D31 und den Widerstand R21. Ein Knotenpunkt KP4, welcher zwischen der Anode der Diode D31 und dem Spannungsteilerwiderstand RT4 liegt, liegt folglich auf einem geringfügig höheren Potenzial als der Stranganschlusspunkt AP1.
Kommt es nun durch den Ausfall einer der Leuchtdioden 16 im Strang S1 zu einem Anstieg des elektrischen Widerstands oder zu einer Stromunterbrechung in diesem Strang S1, verringert sich das Potenzial im Stranganschlusspunkt AP1 und damit an der Kathode der Diode D31. Dadurch vermindert sich auch das Potenzial auf der Anodenseite der Diode 31, d. h. im Anschlusspunkt KP4. Dieser Spannungsausfall ist an einem Anschluss K6, welcher mit dem Knotenpunkt KP4 verbunden ist, detektierbar. Für das Potenzial an dem Anschluss K6 ist stets das niedrigste der an den Stranganschlusspunkten AP1 bis AP4 vorliegenden Potenziale maßgeblich.
Schließlich soll die Funktion der Schaltung nachfolgend für folgende beispielhaften Widerstandswerte erläutert werden:
R11 bis R14: jeweils 5,6 kΩ,
R21 bis R24: jeweils 1,5 kΩ,
RT1: 22 kΩ,
RT2: 4 kΩ,
RT3: 1 kΩ,
RT4: 14 kΩ,
Teilstrom im Strang S1: 350 mA,
Sollwert der Steuerspannung: 1,22 V,
Spannung am Hilfsspannungsausgang UH1: 5 V,
Hilfsspannung am Anschluss K4: 5 V.
Zunächst wird der Schaltungsteil erläutert, der die Regelung betrifft:
Bei einem Stromfluss von 350 mA im Strang S1, wie er für eine weiße Hochleistungs-Leuchtdiode charakteristisch ist, wird im Stranganschlusspunkt AP1 eine Spannung von 0,525 V gemessen. Durch den Spannungsteilerwiderstand RT1 fließt ein Strom von 172 mA
Dieser Strom fließt über die Spannungsteilerwiderstände RT2 und RT3, da die Diode D4 der Überspannungsschutzschaltung in Sperrrichtung geschaltet ist. Die Spannung am Spannungsteilerreferenzknotenpunkt KP1 ist wegen des Diodenpaars D11/D21 mit 0,53 V (= 1,22 V – 172 mA·4 kΩ) fast gleich hoch wie im Stranganschlusspunkt AP1. Denn wenn es aufgrund eines Stromanstiegs im Strang S1 zu einem Anstieg des Potenzials im Stranganschlusspunkt AP1 kommt, fließt ein geringerer Strom über die Diode D21, dafür aber ein höherer Strom über die Diode D11, was zu einem Potenzialanstieg im Spannungsteilerreferenzknotenpunkt KP1 und in Folge zu dem Anstieg der Steuerspannung am Steuereingang SE führt.
Im folgenden wird der Schaltungsteil erläutert, der die Fehlererkennung betrifft:
Wie bereits erwähnt wurde, liegt bei einem Strom von 350 mA im Strang S1 am Stranganschlusspunkt AP1 und damit an der Kathode der Diode D31 eine Spannung von 0,525 V an. Aufgrund der Vorwärtsspannung der Diode D31 erhöht sich diese Spannung an der Anodenseite um die Vorwärtsspannung der Diode, so dass sich in der Praxis ein Wert von etwa 0,643 V am Anschluss K6 einstellt.
Bei einer Unterbrechung oder einer wesentlichen Erhöhung des Widerstands im Strang S1 vermindert sich das Potenzial am Stranganschlusspunkt AP1 und damit an der Kathode der Diode D31 theoretisch auf an nähernd 0 V. In der Praxis ergibt sich am Anschluss K6 eine Spannung von etwa 0,317 V.
Zur Erläuterung der gemessenen Werte sei angemerkt, dass sich der durch den Spannungsteilerwiderstand RT4 fließende Strom auf alle vier Dioden D31 bis D34 verteilt, wenn keiner der Stränge S1 bis S4 unterbrochen ist. Die Vorwärtsspannungen der Dioden D31 bis D34 wird in diesem Fall etwas geringer sein als im Fall einer Unterbrechung des Strangs S1, bei dem der gesamte durch den Spannungsteilerwiderstand RT4 fließende Strom nur durch die eine Diode D31 fließt. Zudem führen Leckströme durch die nun in Sperrrichtung geschalteten übrigen drei Dioden D32 bis D24 zusätzlich zu einer gewissen Potenzialanhebung.
Dennoch gestatten die genannten Spannungsunterschiede eine zuverlässige Detektion. Beispielsweise würde im vorliegenden Beispiel als Schwellwert 0,5 V gewählt werden.
Am Anschluss K6 kann ein nicht dargestelltes Schnittstellenmodul zur Datenkommunikation angeschlossen werden, welches bei der Erkennung einer Verminderung des Potenzials am Anschluss K6 ein entsprechendes Fehlersignal ausgeben kann. Die Datenkommunikation kann drahtlos oder drahtgebunden, beispielsweise über eine Steuerleitung, eine Funkverbindung, ein WLAN-Netzwerk oder eine IP-Verbindung, erfolgen. Das Schnittstellenmodul kann zusätzlich auch so ausgebildet sein, dass eine Überwachung der Eingangsspannung der Stromquelle erfolgen kann.
Weiterhin kann das Schnittstellenmodul auch die Ansteuerung der Dimmungsschaltung 18 übernehmen.
Schließlich weist das Treiber-IC IC1 einen Schalteingang ON auf, welcher mit einem Anschluss K7 verbunden ist, über den wiederum eine Verbindung zu dem Schnittstellenmodul hergestellt werden kann. Über diesen Schalteingang ist nach dem Empfang entsprechender Befehle eine Aktivierung oder Deaktivierung der Stromquelle 12 möglich, so dass damit die Leuchtdiodenanordnung 14 ausgeschaltet werden kann, ohne die Verbindung zur Eingangsspannung zu trennen.
Beispielsweise kann auf dem Schnittstellenmodul ein Mikrocontroller eingesetzt werden, der sowohl über zumindest einen digitalen Eingang als auch über zumindest einen A/D-Wandler-Eingang verfügt. Das Schnittstellenmodul stellt also letztlich eine universelle Schnittstelle zur Außenwelt dar, über die sowohl eine Überwachung als auch eine Steuerung der Leuchtdiodenanordnung möglich ist.
Die vorliegende Schaltung kann beispielsweise bei Leuchtdiodenbeleuchtungskörpern für Außen- und Innenleuchten, für Leuchtdiodenhintergrundbeleuchtung, für LCD- oder TFT-Monitore oder für Anzeigetafeln und Displays mit einer Leuchtdiodenmatrix verwendet werden.

10: Schaltung
12: Stromquelle
14: Leuchtdiodenanordnung
16: Leuchtdiode
18: Dimmungsschaltung
20: Überspannungsschutzschaltung
AP1–AP4: Stranganschlusspunkt
D11–D14: erste Diode
D21–D24: zweite Diode
D31–D34: dritte Diode
D4: Diode
DRV: Treiberausgang
GND: Masseausgang
IC1: Treiber-IC
K1, K2: Eingang der Stromquelle
K3: Ausgang der Stromquelle
K4, K6, K7: Anschluss
K5: Eingang
KP1: Steuerungsspannungsreferenzknotenpunkt
KP2: Steuerspannungsknotenpunkt
KP3, KP4: Knotenpunkt
M1, M2: MOS-Transistor
ON: Schalteingang
R11–R14: erster Widerstand
R21–R24: zweiter Widerstand
RT1–RT4: Spannungsteilerwiderstand
S1–S4: Strang
SD1: Schottky-Diode
SE: Steuereingang
UH1: Hilfsspannungsausgang
ZD1: Zenerdiode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1079667 A2 [0005]

Claims

Schaltung zum Betreiben einer Leuchtdiodenanordnung (14), wobei die Leuchtdiodenanordnung (14) mehrere parallel geschaltete Stränge (S2–S4) von einer oder mehreren in Reihe angeordneten Leuchtdioden (16) aufweist, durch die im Betriebszustand ein jeweiliger Teilstrom eines durch die Leuchtdiodenanordnung (14) fließenden Betriebsstroms fließt, mit einer Stromquelle (12) zur Bereitstellung des Betriebsstroms, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (10) ausgebildet ist, um den größten Teilstrom zu erkennen und einen von der Stromquelle (12) bereitgestellten Betriebswert auf der Grundlage dieses größten Teilstroms so zu regeln, dass keiner der Teilströme einen vorgegebenen Maximalstrom überschreitet.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (10) ausgebildet ist, um eine Steuerspannung an die Stromquelle (12) zu liefern, wobei der Betriebswert auf der Grundlage der Höhe der Steuerspannung regelbar ist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (10) derart ausgebildet ist, dass durch einen Anstieg des Teilstromes in einem der Stränge (S1–S4) ein Anstieg der Steuerspannung herbeiführbar ist, wobei nur der größte Teilstrom für die Höhe der Steuerspannung maßgeblich ist.
Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebswert ein Betriebsstrom oder eine Betriebsspannung ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (10) eine Anordnung zur Bereitstellung der Steuerspannung aufweist, welche umfasst: eine Mehrzahl von ersten Dioden (D11–D14), deren Kathoden an einem Steuerspannungsreferenzknotenpunkt (KP1) miteinander verbunden sind, und eine Mehrzahl von zweiten Dioden (D21–D24), wobei im Betriebszustand jeweils die Kathode einer jeden zweiten Diode an einem Stranganschlusspunkt (AP1–AP4) mit einem Strang (S1–S4) verbunden ist, und eine Mehrzahl von ersten Widerständen (R11–R14), welche an ihrem ersten Anschluss mit einer ersten Hilfsspannungsquelle (UH1) und an ihrem zweiten Anschluss mit der Anode einer jeweiligen ersten Diode (D11–D14) und der Anode einer jeweiligen zweiten Diode (D21–D24) verbunden sind, so dass das Potenzial an dem Steuerspannungsreferenzknotenpunkt (KP1) von dem höchsten Potenzial an den Stranganschlusspunkten (AP1–AP4) abhängig ist.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Bereitstellung der Steuerspannung ferner eine Spannungsteilerreihenschaltung mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Spannungsteilerwiderstand (RT1, RT2, RT3) umfasst, wobei ein erster, dem ersten Spannungsteilerwiderstand (RT1) zugeordneter Anschluss der Spannungsteilerreihenschaltung mit der ersten Hilfsspannungsquelle (UH1) und ein zweiter, dem dritten Spannungsteilerwiderstand (RT3) zugeordneter Anschluss der Spannungsteilerreihenschaltung mit einem Bezugspotenzial verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Spannungsteilerwiderstand (RT2, RT3) mit den Kathoden der ersten Dioden (D11–D14) verbunden ist und somit den genannten Steuerspannungsreferenzknotenpunkt (KP1) bildet, und wobei die Steuerspannung an der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsteilerwiderstand (RT1, RT2) bereitgestellt ist.
Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Bereitstellung der Steuerspannung ferner eine Mehrzahl von zweiten Widerständen (R21–R24) umfasst, welche an ihrem ersten Anschluss mit einem Bezugspotenzial und an ihrem zweiten Anschluss mit einem jeweiligen Stranganschlusspunkt (AP1–AP4) verbunden sind.
Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss eines jeden zweiten Widerstandes (R21–R24) mit der Kathode einer jeweiligen zweiten Diode (D21–D24) verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung Erkennungsmittel zur Erkennung einer wesentlichen Erhöhung des elektrischen Widerstandes oder einer Unterbrechung in einem Strang (S1–S4) aufweist.
Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungsmittel eine Mehrzahl von dritten Dioden (D31–D34) umfassen, von denen jede an ihrer Kathode mit dem zweiten Anschluss eines der zweiten Widerstände (R21–R24) und an ihrer Anode über einen vierten Spannungsteilerwiderstand (RT4) mit einer zweiten Hilfsspannungsquelle verbunden ist, wobei an der Verbindung zwischen den Anoden der dritten Dioden (D31–D34) und dem vierten Spannungsteilerwiderstand (RT4) ein Anschluss (K6) vorgesehen ist, an dem ein Erkennungssignal bereitgestellt wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (12) einen Schaltregler, insbesondere einen Aufwärtswandler, umfasst.
Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (12) Mittel zur getakteten Ansteuerung des Schaltreglers umfasst.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (10) Mittel (20) zur Begrenzung der Betriebsspannung umfasst.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (10) Dimmungsmittel (18) zur Dimmung der Leuchtdiodenanordnung (14) aufweist.
Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimmungsmittel (18) zur Pulsweitenmodulation des Betriebsstroms ausgebildet sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (10) ein Schnittstellenmodul zur Datenkommunikation aufweist, welche zur Bereitstellung eines Fehlersignals aufgrund einer Erkennung einer wesentlichen Erhöhung des Widerstandes oder einer Unterbrechung in einem Strang (S1–S4) ausgebildet ist.
Schaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul ausgebildet ist, um das Fehlersignal auf der Grundlage einer Verringerung der an den Anoden der dritten Dioden (D31–D34) bereitgestellten Spannung zu erzeugen.
Schaltung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul ferner zur Steuerung der Dimmungsmittel (20) ausgebildet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul ferner zur Überwachung einer an die Schaltung (10) angeschlossenen Eingangsspannung ausgebildet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schnittstellenmodul mit mehreren, insbesondere zwei Schaltungen (10) verbunden ist.
Leuchtdiodenmodul umfassend eine Leuchtdiodenanordnung (14) mit mehreren parallel geschalteten Strängen (S1–S4) von einer oder mehreren in Reihe angeordneten Leuchtdioden (16) und eine Schaltung (10) zum Betreiben der Leuchtdiodenanordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.