DE102009055891A1

DE102009055891A1 - Breitbandiger, hochlinearer LED-Verstärker mit hoher Ausgangsleistung in kompakter Bauform

Info

Publication number: DE102009055891A1
Application number: DE102009055891A
Authority: DE
Inventors: Robert Baumgartner; Andreas Kombichler; Joachim Dr. Walewski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-06-09
Also published as: WO2011064052A1; KR20120085339A; US20120235747A1; JP5193399B2; JP2013512604A; CN102668700A; EP2505037B1; EP2505037A1; US8773203B2; KR101445807B1; CN102668700B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung zur Ansteuerung einer Leuchtdiode. Die Verstärkerschaltung soll eine kleine Ausgangsimpedanz von ca. 3 Ohm, eine große Bandbreite mit einer unteren Grenzfrequenz von 200 KHz und einer oberen Grenzfrequenz von beispielsweise 5 MHz und eine Amplitude des Ausgangsstroms von beispielsweise mehreren 100 mA aufweisen. Die Verstärkerschaltung zeichnet sich dadurch aus, dass diese eine Eingangsstufe zur Ansteuerung einer Treiberschaltung (2) aufweist, die mittels einer Gleichstromversorgung (6) die Leuchtdiode ansteuert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung zur Ansteuerung einer Leuchtdiode.
Eine Raumbeleuchtung soll durch Modulation zur Übertragung hoher Datenraten verwendet werden. Im Laborversuch haben sich leistungsfähige Leuchtdioden-(LED-)Beleuchtungssysteme wie ein LED-Modul-Osram OSTAR E3B als geeignet erwiesen.
Für das LED-Modul OSTAR E3B musste ein leistungsfähiger Verstärker entwickelt werden, der trotz der niedrigen Eingangsimpedanz des LED-Moduls die extrem hohen Anforderungen an Ausgangsleistung, Bandbreite und Linearität erfüllt. Daneben spielt ebenso eine kompakte Bauform eine wichtige Rolle, um das LED-Modul inklusive Verstärker in die Raumbeleuchtung integrieren zu können.
Die Impedanz einer Leuchtdiode ist über dem gesamten Frequenzbereich von wenigen 100 KHz bis mehreren 10 MHz sehr klein. Werden herkömmliche Hochfrequenzverstärker mit einer Ausgangsimpedanz von 50 Ohm zur Ansteuerung der LED herangezogen, muss deren Ausgangsimpedanz über den gesamten Frequenzbereich an die sehr kleine Eingangsimpedanz der LED mittels Impedanztransformatoren angepasst werden. Solche Impedanztransformatoren in Form von Übertragern sind teuer, schmalbandig und haben eine große Baugröße. Operationsverstärker, die speziell für den zweistelligen MHz-Bereich erhältlich sind, besitzen eine relativ niedrige Ausgangsimpedanz von etwa 5 Ohm, dafür sind der Frequenzbereich und die Linearität nicht ausreichend groß.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Verstärkerschaltung zur Ansteuerung einer Leuchtdiode derart bereit zu stellen, dass die Verstärkerschaltung eine kleine Ausgangsimpedanz von circa 3 Ohm, eine große Bandbreite mit einer unteren Grenzfrequenz von 200 KHz und einer oberen Grenzfrequenz von 50 MHz und eine Amplitude des Ausgangsstroms von mehreren 100 mA aufweist. Des Weiteren sollen eine kompakte Bauweise von Verstärkerschaltung und Leuchtdiode geschaffen werden. Eine Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung soll an digitale Schaltkreise angepasst sein.
Die Aufgabe wird durch eine Verstärkerschaltung gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Verstärkerschaltung zur Ansteuerung einer Leuchtdiode bereitgestellt, wobei die Verstärkerschaltung eine Eingangsstufe zur Ansteuerung einer Treiberschaltung aufweist, die mittels einer Gleichstromversorgung die Leuchtdiode ansteuert. Die Treiberschaltung weist einen ersten und einen zweiten Transistor auf, die zueinander komplementär sind, wobei deren Emitter elektrisch aneinander angeschlossen sind, zwischen einer Basis und einem Kollektor des ersten Transistors eine erste Stromquelle und zwischen einer Basis und einem Kollektor des zweiten Transistors eine zweite Stromquelle elektrisch angeschlossen ist, und zwischen den beiden Basen der Transistoren eine Spannungseinstellschaltung elektrisch angeschlossen ist.
Zur Ansteuerung der LED hat die Verstärkerschaltung folgende Eigenschaften:

1. Der Verstärker hat eine kleine Ausgangsimpedanz. Die für die vorhandene OSTAR-Leuchtdiode erforderliche Ausgangsimpedanz ist etwa 3 Ohm.
2. Der Verstärker besitzt eine große Bandbreite. Für die Ansteuerung der Leuchtdiode ist eine untere Grenzfrequenz von 200 KHz und eine obere Grenzfrequenz von 50 MHz erforderlich.
3. Die Verstärkerschaltung liefert eine ausreichend große Ausgangsleistung. Um die vorliegende Leuchtdiode modulieren zu können, muss die Amplitude des Ausgangsstroms mehrere 100 mA betragen.
4. Die Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung ist groß, damit diese direkt von digitalen Schaltkreisen herkömmlicher Auslegung angesteuert werden kann.
5. Die Verstärkerschaltung besitzt kleine Ausmaße. Sind die Verstärkerschaltung und die LED ordentlich voneinander getrennt, muss das Modulationssignal mit einem Kabel übertragen werden. Da ein Kabel aber eine Impedanz besitzt, die deutlich größer ist als die Eingangsimpedanz der LED, würde das zu einer Fehlanpassung zwischen der LED und der Verstärkerschaltung führen, was dazu führt, dass der Frequenzgang des Systems nicht mehr eben ist. Deshalb ist es wünschenswert, dass die Verstärkerschaltung und die LED ordentlich eine Einheit bilden. Wenn man den Montageort der Lichtquelle berücksichtigt, beispielsweise über der einer Deckenabdeckung, bedeutet das, dass das System klein sein muss.

Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung vereint in ihren Eigenschaften Breitbandigkeit, Linearität, Ausgangsleistung und Größe.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Spannungseinstellschaltung eine elektrische Spannung zwischen den beiden Basisanschlüssen der Transistoren in Abhängigkeit von Temperaturen der Transistoren derart einstellen, dass die Kollektorströme des ersten und zweiten Transistors konstant gehalten werden. Damit regelt die Spannungseinstellschaltung die von den Temperaturen der Transistoren abhängigen Kollektorströme auf konstant. Die Temperaturen können beispielsweise mit einem temperaturabhängigen Widerstand oder einer Diode erfasst werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Gleichstromversorgung einen an die Emitter der beiden Transistoren mit einem ersten elektrischen Anschluss elektrisch angeschlossenen Koppelkondensator aufweisen, dessen zweiter elektrischer Anschluss über eine elektrische Spule und eine dritte Stromquelle mit Masse elektrisch verbunden sein kann, wobei die Leuchtdiode in Durchlassrichtung elektrisch parallel zur Spule und der dritten einen Ruhestrom für die Leuchtdiode bereitstellende Stromquelle elektrisch angeschlossen sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Eingangsstufe ein die Spannung eines Eingangssignals verstärkender Verstärker, insbesondere Operationsverstärker, sein, der einer Impedanzanpassung dienen kann und dessen Ausgang elektrisch an die Spannungseinstellschaltung angeschlossen sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Eingangsstufe ein als eine integrierte Schaltung erzeugter Verstärker sein, der eine größere Bandbreite als die Treiberschaltung aufweist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und Masse eine erste Spannungsquelle und zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors und Masse eine zweite Spannungsquelle jeweils zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung elektrisch angeschlossen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste Transistor ein npn-Transistor sein und ein Pluspol der ersten Stromquelle elektrisch an die Basis des ersten Transistors angeschlossen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der zweite Transistor ein pnp-Transistor sein und ein Minuspol der zweiten Stromquelle elektrisch an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Minuspol der dritten Stromquelle elektrisch an Masse angeschlossen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Minuspol der ersten Spannungsquelle elektrisch an Masse angeschlossen sein und ein Pluspol der ersten Spannungsquelle an dem Kollektor des ersten Transistors elektrisch angeschlossen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Pluspol der zweiten Spannungsquelle elektrisch an Masse angeschlossen sein und ein Minuspol der zweiten Spannungsquelle an dem Kollektor des zweiten Transistors elektrisch angeschlossen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren sein, wobei Sources die Emitter, Gates die Basen und Draines die Kollektoren sein können.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur näher beschrieben. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung. Die Eigenschaften gemäß der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung können folgendermaßen realisiert werden. Eine Eingangsstufe ist ein Verstärker 1 mit hochohmigem Eingang, der die Spannung des Eingangssignals verstärkt. Dieser Verstärker 1 ist in der Lage, eine nachfolgende Treiberschaltung 2 anzusteuern. Die Treiberschaltung 2 befindet sich zwischen der Eingangsstufe und der Leuchtdiode mit Gleichstromversorgung. Die Treiberschaltung 2 besitzt einen relativ großen Eingangswiderstand, so dass als Eingangsstufe ebenso ein integrierter Verstärker 1 eingesetzt werden kann, die notwendigerweise eine etwas größere Bandbreite aufweist, als die Treiberschaltung 2. Die Treiberschaltung 2 besteht aus zwei komplementären Transistoren 3, zwei Stromquellen 4 und einer Spannungseinstellschaltung 5, die die Spannung zwischen den beiden Basisanschlüssen der Transistoren 3 in Abhängigkeit der Transistortemperatur einstellt. Die Gleichstromversorgung 6 für die Leuchtdiode besteht aus einem Koppelkondensator Cds und einer Spule Ls. Die Leuchtdiode LED befindet sich unmittelbar hinter der Gleichstromversorgung, damit die Gesamtinduktivität zwischen der Treiberschaltung 2 und der LED möglichst klein ist. Ware diese Induktivität groß, entstünde ein Spannungsabfall über ihr, der mit der Frequenz zunimmt, was eine Verringerung der oberen Grenzfrequenz bedeuten würde. Mittels der Gleichstromversorgung 6 wird einem Wechselstrom vom Verstärkerausgang der Treiberschaltung (2) ein Gleichstrom durch die Spule Ls addiert.
Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung kann ebenso mittels komplementärer Feldeffekttransistoren ausgeführt sein.

Claims

Verstärkerschaltung zur Ansteuerung einer Leuchtdiode, wobei die Verstärkerschaltung eine Eingangsstufe zur Ansteuerung einer Treiberschaltung (2) aufweist, die mittels einer Gleichstromversorgung (6) die Leuchtdiode ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (2) einen ersten und einen zweiten Transistor (3) aufweist, die zueinander komplementär sind, wobei deren Emitter elektrisch aneinander angeschlossen sind, zwischen einer Basis und einem Kollektor des ersten Transistors (3) eine erste Stromquelle (4) und zwischen einer Basis und einem Kollektor des zweiten Transistors (3) eine zweite Stromquelle (4) elektrisch angeschlossen ist, und zwischen den beiden Basen der Transistoren (3) eine Spannungsseinstellschaltung (5) elektrisch angeschlossen ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsseinstellschaltung (5) eine elektrische Spannung zwischen den beiden Basisanschlüssen der Transistoren (3) in Abhängigkeit von Temperaturen der Transistoren (3) derart einstellt, dass die Kollektorströme des ersten und zweiten Transistors (3) konstant gehalten werden.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromversorgung (6) einen an die Emitter der beiden Transistoren (3) mit einem ersten elektrischen Anschluss elektrisch angeschlossenen Koppelkondensator (Cds) aufweist, dessen zweiter elektrischer Anschluss über eine elektrische Spule (Ls) und eine dritte Stromquelle mit Masse elektrisch verbunden ist, wobei die Leuchtdiode in Durchlassrichtung elektrisch parallel zur Spule (Ls) und der dritten einen Ruhestrom für die Leuchtdiode bereitstellende Stromquelle elektrisch angeschlossen ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe ein die Spannung eines Eingangssignals verstärkender Verstärker (1), insbesondere Operationsverstärker, ist, der einer Impedanzanpassung dient und dessen Ausgang elektrisch an die Spannungsseinstellschaltung (5) angeschlossen ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe ein als eine integrierte Schaltung erzeugter Verstärker (1) ist, der eine größere Bandbreite als die Treiberschaltung (2) aufweist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kollektor des ersten Transistors (3) und Masse eine erste Spannungsquelle (7) und zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (3) und Masse eine zweite Spannungsquelle (7) jeweils zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung elektrisch angeschlossen ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (3) ein npn-Transistor ist und ein Pluspol der ersten Stromquelle (4) elektrisch an die Basis des ersten Transistors (3) angeschlossen ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor (3) ein pnp-Transitor ist und ein Minuspol der zweiten Stromquelle (4) elektrisch an die Basis des zweiten Transistors (3) angeschlossen ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Minuspol der dritten Stromquelle (4) elektrisch an Masse angeschlossen ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Minuspol der ersten Spannungsquelle (7) elektrisch an Masse angeschlossen ist und ein Pluspol der ersten Spannungsquelle (7) an dem Kollektor des ersten Transistors (3) elektrisch angeschlossen ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pluspol der zweiten Spannungsquelle (7) elektrisch an Masse angeschlossen ist und ein Minuspol der zweiten Spannungsquelle (7) an dem Kollektor des zweiten Transistors (3) elektrisch angeschlossen ist.
Verstärkerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren sind, wobei Sources die Emitter, Gates die Basen und Drains die Kollektoren sind.