DE102010001807A1

DE102010001807A1 - Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Verbrauchers, insbesondere von Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102010001807A1
Application number: DE102010001807A
Authority: DE
Inventors: Thomas 85253 Schmacht
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2011-08-11

Abstract

Zum Betreiben eines Verbrauchers wie insbesondere von Leuchtdioden wird parallel zu einer Reihenschaltung aus diesem Verbraucher (D2-Dn-LEDs) und einem Nebenschlusswiderstand (RShunt) ein Kondensator (C1) geschaltet, der abwechselnd aufgeladen und entladen wird. Der Wechsel wird durch eine Schaltung aus einem ersten Transistor (T1) in Reihe zu dem Kondensator (C1) und einem zweiten Transistor (T2) ermöglicht, der mit dem Steuereingang des ersten Transistors (T1) gekoppelt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Verbrauchers und ist insbesondere für den Betrieb von Leuchtdioden geeignet.
Stand der Technik
Leuchtdioden sind mit konstanter Stromstärke zu betreiben. Herkömmlicherweise wird die Stromstärke über Nebenschlusswiderstände (Shunt-Widerstände) gemessen, und die daran abfallende Spannung wird einem Schaltregler übergeben, der die Stromstärke einstellt. Ein Schaltregler nimmt relativ viel Platz in Anspruch und ist nicht ganz kostengünstig.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Verbrauchers wie insbesondere Leuchtdioden bereitzustellen, der mit konstantem Strom zu betreiben ist, wobei die Schaltungsanordnung preisgünstig und wenig Platz in Anspruch nehmend sein soll.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Schaltungsanordnung weist somit einen Kondensator auf, der parallel zu einer Reihenschaltung aus dem Verbraucher und einem ersten Widerstandselement geschaltet ist, und sie weist Mittel zum Koppeln dieses Kondensators mit einer Spannungsquelle auf, wenn die an dem Kondensator anliegende Spannung unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt. Sie weist ferner Mittel zum Entkoppeln des Kondensators von dieser Spannungsquelle auf, wenn die an dem Kondensator anliegende Spannung oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.
Durch das Zusammenwirken der Mittel zum Koppeln und der Mittel zum Entkoppeln wird der Kondensator ständig erneut von der Spannungsquelle geladen, solange er mit dieser gekoppelt ist, und wenn die Spannung ausreichend hoch ist, wird er von dieser entkoppelt und entlädt sich über den Verbraucher. Es stellt sich somit ein periodischer Betrieb ein. Bei geeigneter Wahl der Betriebsparameter ist gewährleistbar, dass die Stromstärke über den Verbraucher konstant ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zum Koppeln einen in Reihe zu dem Kondensator geschalteten ersten Transistor. Genauso umfassen bevorzugt die Mittel zum Entkoppeln einen zweiten Transistor, dessen Steuereingang mit einem Anschluss zwischen dem Kondensator und dem ersten Widerstandselement gekoppelt ist, und der andererseits mit dem Steuereingang des ersten Transistors gekoppelt ist. Der erste Transistor öffnet schließt somit abwechselnd den Zugang zur Spannungsquelle, und über den zweiten Transistor wird dieses Öffnen und Schließen in Abhängigkeit von der an dem ersten Widerstandselement abfallenden Spannung bewirkt. Die Gesamtheit aus erstem und zweitem Transistor ist kostengünstig, insbesondere gegenüber der Verwendung eines Schaltreglers.
Bevorzugt umfasst die Schaltungsanordnung eine Gleichspannungsquelle mit drei Anschlüssen, von denen ein Anschluss über ein zweites Widerstandselement mit dem Steuereingang des ersten Transistors gekoppelt ist, und wobei der Steuereingang des ersten Transistors über ein drittes Widerstandselement mit dem Kondensator einerseits und damit auch mit dem Verbraucher andererseits gekoppelt ist.
Durch diese beiden Widerstandselemente wird während eines Einschaltvorgangs das Fließen von Strom über den Verbraucher bewirkt und der Beginn des periodischen Ein- und Ausschaltens des ersten Transistors ausgelöst.
In der Reihenschaltung aus dem ersten Transistor und dem Kondensator kann ein induktives Element vorgesehen sein, das über eine Diode dann wiederum mit einem Anschluss zwischen dem ersten Transistor und dem Kondensator gekoppelt ist. Das induktive Element verhindert, dass die Stromstärke zu steil ansteigt.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist, wenn der Verbraucher eine Leuchtdiode oder eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Leuchtdioden aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt die einzige Figur hierzu eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Leuchtdioden müssen für einen stabilen Betrieb mit Strom einer stabilen Stromstärke beaufschlagt werden. In einer Schaltungsanordnung gemäß der Figur ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden vorgesehen, symbolisch ist lediglich eine Leuchtdiode gezeigt und mit D2-Dn-LEDs bezeichnet. Leuchtdioden benötigen zu ihrem Betrieb eine Gleichspannungsquelle. Vorliegend ist zu diesem Zweck eine Wechselspannungsquelle VAC vorgesehen, die in einer Gleichrichterbrückenanordnung mit den Dioden D2, D3, D4 und D5 bereitgestellt ist. Parallel zu den Diodenpaaren D2 und D4 einerseits und D3 und D5 andererseits kann ein Kondensator C optional mit einer Kapazität von beispielsweise 20 μF bereitgestellt sein. Man erhält so eine Gleichspannungsquelle mit den Anschlüssen P1 und P2.
Zwischen den Anschlüssen P1 und P2 ist ein erster Transistor T1, ein Kondensator C1 mit einer Kapazität von 20 μF und ein induktives Element L1 mit einer Induktivität von 10 mH bereitgestellt. Der Punkt P2 ist hierbei über eine Diode D1 mit dem Anschlusspunkt P3 zwischen dem ersten Transistor T1 und dem Kondensator C1 gekoppelt. Der Anschlusspunkt zwischen dem induktiven Element L1 und dem Kondensator C1 ist mit P4 bezeichnet. Zwischen den Anschlüssen P1 und P4 ist eine Reihenschaltung aus einem Widerstandselement R1 mit einem Widerstand von 1 MΩ, einem Widerstandselement R2 mit einem Widerstandselement von 1 MΩ, dem Verbraucher (Leuchtdiode bzw. Leuchtdioden) und einem Nebenschlusswiderstand RShunt, der einen Widerstand von 10 Ω aufweist, vorgesehen. Ein Anschlusspunkt P5 zwischen den Widerstandselementen R1 oder R2 ist mit dem Steuereingang des ersten Transistors T1 gekoppelt. Parallel zu dem Widerstandselement R2, dem Verbraucher und dem Nebenschlusswiderstand RShunt ist ein zweiter Transistor T2 geschaltet, dessen Steuereingang mit dem Anschlusspunkt P5 zwischen dem Verbraucher und dem Nebenschlusswiderstand RShunt gekoppelt ist.
Es wird nun beschrieben, was ab einem Einschalten der Spannungsquelle VAC erfolgt: Beim Einschalten der Spannungsquelle VAC liegt kurzfristig eine Spannung zwischen den Anschlüssen P1 und P2 an. Es fließt sodann ein Strom über die Reihenschaltung aus dem Widerstandselement R1, dem Widerstandselement R2, dem Kondensator C1 und dem induktiven Element L1. Hierbei fällt eine Spannung über dem Widerstandselement R2 ab, sodass der erste Transistor T1 durchschaltet. Es kommt dann zu einem Stromfluss zwischen den Eingangsanschlüssen P1 und P2 über den ersten Transistor T1, den Kondensator C1 und das induktive Element L1.
Der Kondensator C1 wird somit aufgeladen, wobei durch das induktive Element L1 gewährleistet ist, dass die Stromstärke nicht zu steil ansteigt. Der Kondensator sorgt ab einer bestimmten Aufladung für einen Stromfluss über die Leuchtdiode, den D2-Dn-LEDs und den Nebenschlusswiderstand RShunt. Je größer der Strom in diesem Zweig, desto größer ist auch der Spannungsabfall an RShunt. Erreicht der Spannungsabfall über den Nebenschlusswiderstand RShunt einen Schwellwert, nämlich die Schaltschwelle des zweiten Transistors T2, so schaltet dieser durch. Dadurch ändert sich sofort das Potenzial am Anschlusspunkt P6 und somit am Steuereingang des ersten Transistors T1, der sodann sperrt. Der Kondensator C1 entlädt sich dann nach und nach, bis die Stromstärke wieder sinkt, sodass die Spannung am Nebenschluss RShunt wiederum für ein Unterschreiten der Schaltschwelle des zweiten Transistors T2 sorgt, der sodann sperrt. Das Sperren des zweiten Transistors T2 bewirkt dann wiederum ein Durchschalten des ersten Transistors T1, der Kondensator C1 wird nachfolgend wieder aufgeladen. Es kommt auf diese Weise zu einem periodischen Wechsel zwischen Durchschalten des zweiten Transistors T2 und Sperren des ersten Transistors T1 einerseits und Sperren des zweiten Transistors T2 und Durchschalten des ersten Transistors T1 andererseits. Der über die Leuchtdioden fließende Strom zeigt zwar Schwankungen in seiner Stromstärke, dies aber in einem Bandbereich, der für den Betrieb der Leuchtdioden tolerabel ist.
Die Diode D1 dient dazu, nach Sperren des ersten Transistors T1 Strom aus dem induktiven Element L1 abzuführen. Das induktive Element L1 sowie die Diode D1 können jedoch auch bei geeigneter Auswahl der verwendeten Bauelemente und deren Parameter, ggf. abweichend von den in Figuren angegebenen Parametern, ganz entfallen.
In der Figur ist der erste Transistor T1 als MOSFET gezeigt, der Transistor T2 als herkömmlicher Transistor. Grund hierfür sind die Unterschiede in den Schaltschwellen.
Die gezeigten Zahlenwerte sind für typische Spannungen der Wechselspannungsquelle von 230 V ausgelegt. In diesem Falle sind beispielsweise sechs Leuchtdioden als Verbraucher möglich.
Alternativ sind Wechselspannungen von lediglich 12 V möglich, dann kann lediglich eine einzige Leuchtdiode betrieben werden, ansonsten kann die Schaltung unverändert verwendet werden, gegebenenfalls sind Größen der einzelnen Elemente anzupassen.
Die vorgestellte Schaltungsanordnung ist daher von einer gewissen Universalität und funktioniert auch bei unterschiedlichen Wechselspannungsfrequenzen, z. B. sowohl bei den in Europa verwendeten 50 Hz, als auch bei den in den Vereinigten Staaten von Amerika verwendeten 60 Hz. In der Schaltungsanordnung ist vorliegend die Gleichspannungsquelle umfasst. Es können andere Arten von Gleichspannungsquellen verwendet werden.

Claims

Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Verbrauchers, mit einem Kondensator (C1), welcher parallel zu einer Reihenschaltung aus dem Verbraucher (D2-Dn-LEDs) und einem ersten Widerstandselement (RShunt) geschaltet ist, mit Mitteln (T1) zum Koppeln des Kondensators mit einer Spannungsquelle (VAC, D2 bis D5), wenn die an dem Kondensator (C1) anliegende Spannung unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, und mit Mitteln (T2) zum Entkoppeln des Kondensators (C1) von der Spannungsquelle, wenn die an dem Kondensator (C1) anliegende Spannung oberhalb eines bestimmten Wertes liegt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zum Koppeln einen in Reihe zu dem Kondensator (C1) geschalteten ersten Transistor (T1) aufweisen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der die Mittel zum Entkoppeln einen zweiten Transistor (T2) aufweisen, dessen Steuereingang mit einem Anschluss (P5) zwischen dem Kondensator und dem ersten Widerstandselement (Rshunt) gekoppelt ist, und der andererseits mit dem Steuereingang des ersten Transistors (T1) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, umfassend eine Gleichspannungsquelle (VAC, D2, D4, D5) mit zwei Anschlüssen (P1, P2), von denen ein Anschluss (P1) über ein zweites Widerstandselement (R1) mit dem Steuereingang des ersten Transistors (T1) gekoppelt ist, wobei der Steuereingang des ersten Transistors (T1) über ein drittes Widerstandselement (R2) mit dem Kondensator (C1) und dem Verbraucher (D2-Dn-LEDs) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in der Reihenschaltung aus dem ersten Transistor (T1) und dem Kondensator (C1) ein induktives Element (L1) angeordnet ist, welches über eine Diode (D1) mit einem Anschluss (P3) zwischen dem ersten Transistor (T1) und dem Kondensator (C1) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Gleichspannungsquelle durch eine Wechselspannungsquelle (VAC) in einer Gleichrichterbrückenanordnung (D2, D3, D4, D5) bereitgestellt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Verbraucher eine Leuchtdiode oder eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Leuchtdioden (D2-Dn-LEDs) aufweist.