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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Gerät mit wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung mit Leuchtdioden.
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Bei Fernsehgeräten und Computer-Monitoren haben sich Flachbildschirme mit LCD-Technologie mittlerweile durchgesetzt. Da LC-Bildschirme jedoch nicht selbst leuchten, benötigen sie eine homogene, weiße Hintergrundbeleuchtung. Diese wird in der Regel mit einer Anordnung von Kaltkathoden-Leuchtstofflampen realisiert. Die Leuchtstofflampen benötigen jedoch eine Betriebsspannung im kV-Bereich, so dass sie aufwändige Hochspannungs-Stromversorgungsgeräte benötigen. Aus diesem Grund besteht in letzter Zeit der Trend, die Hintergrundbeleuchtung mit Leuchtdioden zu realisieren. Leuchtdioden benötigen eine geringe Spannung, sind platzsparender und ermöglichen in einer Matrix angeordnet eine lokal differenzierte Beleuchtung zur Erhöhung des Kontrasts.
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Insbesondere durch das Verbot von herkömmlichen Glühlampen, werden Leuchtdioden jedoch zunehmend auch für allgemeine Beleuchtungszwecke eingesetzt.
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Damit ein solches elektrisches Gerät bequem bedient werden kann, weist es in der Regel eine Fernbedienung, beispielsweise mit einem Infrarot-Sender, auf. Damit das Gerät über die Fernbedienung auch eingeschaltet werden kann, verbleibt es ausgeschaltet zumeist in einem Betriebsbereitschafts-Zustand (Stand-by). Dabei wird zumindest der Fernbedienungs-Empfänger dauerhaft mit Strom versorgt, während alle nicht benötigten Schaltungsteile ausgeschaltet sind. Die Trennung der Schaltungsteile erfolgt auf der Sekundärseite des Stromversorgungsgeräts. Deshalb ist die Leistungsaufnahme im Stand-by meistens noch im Bereich von einem bis einigen Watt. Über ein Jahr gerechnet summiert sich die Leistungsaufnahme daher auf einen signifikanten Wert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Gerät der vorgenannten Art zu schaffen, das im Betriebsbereitschafts-Zustand eine geringere Leistungsaufnahme hat.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße elektrische Gerät ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung aufweist, dass die Steuereinheit als separate Schaltung ausgebildet ist und dass die Schalteinrichtung jeweils Schalter zum Ein- oder Ausschalten der Entstörkondensatoren, der Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung und des Spannungswandlers aufweist.
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Die Erfindung ist nachfolgend am Beispiel eines Flachbild-Fernsehers mit einem LC-Bildschirm mit einer LED-Hintergrundbeleuchtung gezeigt.
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Es zeigt:
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1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Fernsehers,
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2 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung im erfindungsgemäßen Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM),
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3 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung beim Übergang vom ZPM in den aktiven Zustand (AM),
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4 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung im AM,
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5 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung beim Übergang vom AM zum ZPM und
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6 ein Programmablaufplan der Steuerschaltung beim Verbinden des Geräts mit der Stromversorgung.
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Die 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fernsehers 1 an dessen Beispiel die Erfindung näher erläutert wird. Der Fernseher 1 weist im Wesentlichen einer Stromversorgungseinrichtung 2, eine Steuereinheit 3, einen Fernsehsystem-Teil 4 und eine Beleuchtungseinrichtung 54 als Hintergrundbeleuchtung mit Leuchtdioden (LED) auf.
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Die LED-Hintergrundbeleuchtung 54 weist wenigstens eine LED-Kette oder eine LED-Matrix auf, die aus einer Reihen- und/oder Parallelschaltung von mehreren Leuchtdioden gebildet ist. Der Vorteil einer Leuchtdioden-Hintergrundbeleuchtung (13) ist, dass keine Hochspannungsversorgung notwendig ist. Die Stromversorgungseinrichtung 2 ist daher sehr einfach ausgebildet. Die Leuchtdioden der Beleuchtungseinrichtung werden stromgesteuert betrieben und vom Fernsehsystem-Teil angesteuert. Die beschriebene Hintergrundbeleuchtung eines Fernsehers ist nur ein Anwendungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung. Die Leuchtdioden können auch in einer Decken- oder Tischlampe für allgemeine Beleuchtungszwecke angeordnet sein.
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Die Stromversorgungseinrichtung 2 weist eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (PFC) 5 und Entstörkondensatoren (X-Kondensatoren) 6 auf, die unmittelbar mit der Netzspannung 7 verbunden sind. Der PFC 5 ist ein Spannungswandler 8 nachgeschaltet, der aus der Hochspannung des PFC 5 eine geregelte Zwischen-Spannung Vi von beispielsweise 15 V erzeugt. Der Spannungswandler 8 ist im Beispiel ein Schaltregler mit Pulsbreitensteuerung (PWM-Steuerung), der von einem Wandlerbaustein gesteuert wird. Zum Starten der Pulsbreitensteuerung besitzt der Spannungswandler eine spezielle Start-Schaltung, die beispielsweise in dem Wandlerbaustein integriert sein kann. Andere Spannungswandler können auch ohne eine solche Start-Schaltung auskommen.
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Der Fernsehsystem-Teil 4 wird mit der geregelten Zwischen-Spannung Vi versorgt, die innerhalb des Fernsehsystem-Teils 4 für verschiedene Teil-Systeme weiter reduziert oder aufbereitet werden kann.
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Weiterhin weist der Fernseher 1 eine erfindungsgemäße Steuereinheit 3 auf, die separat vom Fernsehsystem-Teil 4 und von der Stromversorgungseinrichtung 2 aufgebaut ist. Die Steuereinheit 3 weist einen Mikroprozessor oder Mikrokontroller 9 auf, der ein Betriebsprogramm abarbeiten kann. Weiterhin weist die Steuereinheit 3 eine eigene Stromversorgungsschaltung 10 auf, die direkt mit der Netzspannung 7 verbunden ist und einen Signalempfänger 11 zum Empfangen der Signale eines Infrarot-Senders 12. Der Signalempfänger kann jedoch auch zum Empfangen von einem oder mehreren beliebigen anderen Signalen, beispielsweise Funk wie etwa von Bluetooth®-Signalen, ausgebildet sein.
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Der Fernseher 1 weist einen Betriebsbereitschafts-Zustand (Stand-by) auf, der durch eine geringe Leistungsaufnahme gekennzeichnet ist. Die Kontrolle über den Stand-by-Modus (ZPM) erfolgt durch die Steuereinheit 3. Dazu ist die Steuereinheit 3 mit einer Schalteinrichtung verbunden, die mehrere Schalter aufweist. Ein Schalter STRT_OFF liegt zwischen der Netzspannung und der PFC-Schaltung 5, so dass diese vom Stromnetz getrennt werden kann. Ein weiterer Schalter (X-Schalter) liegt in der Netzleitung der Entstörkondensatoren 6, so dass auch diese vom Netz getrennt werden können. Ein weiterer Schalter DCDC_ON liegt zwischen der PFC 5 und dem Spannungswandler 8, so dass die Betriebsspannung des Wandler-Bausteins der PWM-Steuerung geschaltet werden kann und ein weiterer Schalter PWM_OUT ermöglicht das Ein- oder Ausschalten der Start-Schaltung des Wandler-Bausteins des Spannungswandlers 8. Da diese Schaltung auch ohne Betriebsspannung der PWM-Steuerung Strom aufnimmt, verringert das Schalten der Start-Schaltung zusätzlich die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems. Ist keine Start-Schaltung vorhanden, ist selbstverständlich auch kein solcher Schalter notwendig. Die vier Schalter sind im Beispiel nicht explizit gezeigt, sondern durch ihre jeweiligen Steuersignale bezeichnet. Die jeweiligen Pfeile deuten die Signalrichtung an. Die Schalter werden demnach durch die Steuereinheit 3 geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebene Anzahl an Schaltern beschränkt.
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Solange das elektrische Gerät (Fernseher) im Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM) ist, wird zunächst nur der Prozessor 9 der Steuereinheit 3 mit Strom versorgt, so dass der Stromverbrauch minimal ist. Die Schalter der Schalteinrichtung sind geöffnet, so dass alle wesentlichen Teile der Stromversorgungseinrichtung 2 stromlos sind und keine Leistung aufnehmen.
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Die Stromversorgung 10 der Steuereinheit 3 hat einen kapazitiven Spannungsteiler, der so ausgelegt ist, dass gerade ausreichend Strom für den Prozessor 9 zur Verfügung steht. Da im kapazitiven Spannungsteiler keine Wandlerverluste auftreten, ist die Stromaufnahme im Betriebsbereitschafts-Zustand sehr gering.
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Der Signalempfänger 11 wird in diesem Betriebszustand nur periodisch eingeschaltet und abgefragt, so dass dieser im Mittel sehr wenig Energie benötigt. Im Beispiel wird der Signalempfänger 11 alle 90 ms für etwa 0,2 ms eingeschaltet. Dies ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Leistungsaufnahme und dennoch eine fast verzögerungsfreie Reaktion auf ein Signal.
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Die 2 zeigt schematisch den Programmlauf des Prozessors 9 der Steuereinheit 3 im Stand-by (ZPM). In jedem Schleifendurchgang wird zunächst überprüft, ob eine Netzspannung 7 (AC_VOLT_MEAS) 13 anliegt. Liegt keine Spannung 7 an (no), dann kann entweder eine kurzzeitige Netzstörung vorliegen oder der Fernseher 1 wurde ausgesteckt beziehungsweise von der Netzspannung 7 getrennt. Wurde das Gerät ausgesteckt, darf innerhalb kurzer Zeit keine Spannung mehr an den Steckerkontakten anliegen, um einen Stromschlag zu verhindern. Daher müssen die Eingangskondensatoren 6 schnell entladen werden. Zu diesem Zweck werden die PFC 5 STRT_OFF = 0 (PFC Voltage Divider on) 14 und die Start-Schaltung des Spannungswandlers PWM_OUT = 1 (Startup Power Cell on) 15 eingeschaltet, da diese einen hohen Strombedarf haben und eine eventuell vorhandene Restladung in den X-Kondensatoren 6 schnell entladen. Anschließend wird wieder die Netzspannung (AC_VOLT_MEAS) 16 getestet. Liegt immer noch keine Netzspannung 7 an, wird die Messung solange wiederholt 22, bis eine Spannung anliegt oder das Gerät aufgrund von Strommangel ausgeht. Falls die Messung wieder positiv ausfällt (yes), werden die Start-Schaltung (PWM_OUT = 1) 17 und die PFC-Schaltung 5 (STRT_OFF = 1) 18 wieder ausgeschaltet und das Programm fortgesetzt.
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Liegt eine Spannung 7 an, wird der Signalempfänger 11 aktiviert und überprüft, ob ein Signal zum Beenden des Stand-by anliegt (Remote Button pressed) 19. Falls kein Signal empfangen wurde, wird eine Weile gewartet (sleep a while) 20 und das Programm von vorne gestartet.
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Wurde ein Signal zum Beenden des Stand-by empfangen, wird das Programm zum Übergang vom Stand-by in den Aktiven Modus (AM) gemäß 3 gestartet 21. Dabei wird zunächst auf einen Nulldurchgang der Netzspannung gewartet 22 um dann die X-Kondensatoren über Schalter X-Schalter = 1 einzuschalten 23. Aufgrund der Schaltung im Nulldurchgang entstehen keine Stromspitzen, die ansonsten beim schnellen Anlegen einer hohen Spannung am Kondensator entstehen würden. Danach wird dem Fernseher über ein Signal auf V_DET = 0 signalisiert, dass Spannung anliegt 24 (AC ok to TV) und der PFC-Schaltkreis über den Schalter STRT_OFF = 0 eingeschaltet 25. Danach wird die Stromversorgung des Flybackregler-ICs über den Schalter DCDC_ON = 1 eingeschaltet 26 und die Startschaltung des Flybackreglers über Schalter PWM_OUT = 1 aktiviert 27. Optional kann noch eine Weile gewartet werden 28. Dies ist jedoch in der Regel nicht notwendig. Mit diesen Schritten ist der Fernseher betriebsbereit (AM) und der Stand-by (ZPM) beendet.
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Im Aktiven Modus (AM) des Fernsehers bleibt die Steuerschaltung aktiv und führt das Programm nach 4 aus. Dabei ist der Signalempfänger 11 dauernd aktiv. Wieder wird in einer Schleife zunächst geprüft, ob die Netzspannung 7 vorhanden ist 29. Falls nicht, wird zunächst dem Fernseher das Fehlen der Netzspannung über das Fehlersignal V_DET = 1 signalisiert 30. Was der Fernseher mit dieser Information macht, ist nicht Gegenstand der Erfindung. Danach wird gegebenenfalls wiederholt 32 überprüft, ob Netzspannung vorhanden ist 31. Falls nicht, wird der Programmlauf durch mangelnde Stromversorgung von selbst unterbrochen. Falls ja wird das Fehlersignal V_DET = 0 an den Fernseher gesendet 33 und die Überprüfungsschleife 32 beendet.
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Liegt Spannung 7 an, wird am Signalempfänger 11 überprüft, ob ein Signal zum Beginnen des Betriebsbereitschafts-Zustand anliegt 34 (Remote POWER_BUTTON pressed). Falls nicht, wird die Schleife wiederholt 36. Hier ist keine Wartezeit notwendig, da die Steuerschaltung im Vergleich zum laufenden Fernseher verschwindend wenig zusätzliche Leistung benötigt.
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Wurde ein Stand-by Signal empfangen, wird das Programm zum Übergang vom Aktiven Zustand (AM) in den Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM) gemäß 5 ausgeführt 35.
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Dabei wird zunächst dem Fernsehersystem-Teil 4 über die Fehlersignal-Leitung V_DET = 1 signalisiert, dass keine Spannung mehr anliegt 37. Das Signal wird somit als Ausschaltsignal benutzt. Der Fernsehersystem-Teil 4 führt daraufhin sein internes Ausschaltprogramm durch und meldet dessen Ende mit einem Signal PS_OFF zurück, auf das nach einer Pause 38 gewartet wird 39. Sobald der Fernseher sein Programm beendet hat, kann die Stromversorgung sicher getrennt werden. Dazu wird zunächst die Start-Schaltung des Flybackreglers 8 über Schalter PWM_OUT = 0 gestoppt 40 und die Stromversorgung des Flybackreglers 8 über Schalter DCDC_ON = 0 getrennt 41. Nach einer kurzen Wartezeit 42 wird die PFC-Schaltung über Schalter STRT_OFF = 1 primärseitig vom Netz getrennt 43. In einem Nulldurchgang der Netzspannung 44 werden schließlich die Entstörkondensatoren über Schalter (X-Schalter = 0) vom Netz getrennt 45. Somit befindet sich der Fernseher wieder im Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM) und führt das Programm gemäß 2 aus. Die Leistungsaufnahme in diesem Zustand beträgt etwa 5 mW.
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Nach dem Einstecken des Fernsehers oder nach einem kurzzeitigen Spannungsverlust in einem der beschriebenen Betriebsprogramme wird jeweils das Programm gemäß 6 gestartet. Dabei werden zuerst alle Systeme zurückgesetzt 46 und nach einer Pause 47 geprüft ob Spannung anliegt 48. Falls nicht, geht das System in das Programm des Betriebsbereitschafts-Zustands 53 gemäß 2.
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Falls Spannung vorhanden ist, werden die Programmschritte wie zum Übergang vom Stand-by (ZPM) in den Aktiven Zustand (AM) entsprechend 3 ausgeführt, das heißt die Systeme werden in der bekannten Reihenfolge 22 bis 27 eingeschaltet. Nach einer Pause 49 wird ein gespeichertes Signal PS_OFF ausgewertet 50, das angibt, ob der Fernseher vor dem Spannungsverlust aus- oder eingeschaltet war.
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War er eingeschaltet, werden sämtliche Schaltungsteile eingeschaltet und der Prozessor geht in das Programm für den Aktiven Zustand (AM) gemäß 4 über 51.
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Falls der Fernseher ausgeschaltet war, wird das Programm zum Übergang in den Betriebsbereitschafts-Zustand (ZPM) gemäß 5 ausgeführt 52.
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Je nach Anwendung kann es jedoch auch sinnvoll sein, dass der vorherige Zustand des Geräts unbeachtet bleibt und immer in den Aktiven Zustand oder den Betriebsbereitschafts-Zustand übergegangen wird. Dies kann auch durch den Benutzer konfigurierbar sein.
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Obwohl die Erfindung anhand eines Fernsehers erläutert wurde, ist sie nicht auf einen Fernseher beschränkt. Vielmehr ist sie bei jedem elektrischen Gerät mit einer LED-Beleuchtung einsetzbar, das über einen Betriebsbereitschafts-Zustand verfügt. Das kann beispielsweise auch eine Zimmer- oder Deckenbeleuchtung mit LEDs sein, die über eine Fernbedienung steuerbar sein soll.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fernseher
- 2
- Stromversorgungseinrichtung
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Fernsehsystem-Teil
- 5
- PFC-Schaltung
- 6
- Entstörkondensatoren
- 7
- Netzspannung
- 8
- Spannungswandler
- 9
- Mikroprozessor
- 10
- Spannungsversorgung
- 11
- Signalempfänger
- 12
- Infrarot-Sender
- 13–53
- Verfahrensschritte im Betriebsprogramm
- 54
- Beleuchtungseinrichtung
- Vi
- Zwischenspannung
- STRT_OFF
- Schaltsignal für PFC-Schaltung
- X-Schalter
- Schaltsignal für Entstörkondensatoren
- PWM_OUT
- Schaltsignal für Start-Schaltung
- DCDC_ON
- Schaltsignal für Spannungswandler
- V_DET
- Spannungsfehler-Signal
- PS_OFF
- Fernseher-aus Signal
