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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Verlustleistung linearer Stromtreiber für lichtemittierende Dioden (LEDs), bestehend aus mindestens einer mit einem Steuersignal beaufschlagten Treiberstufe, an deren Ausgang eine oder mehrere LEDs angeschlossen sind, sowie einer Primärenergieversorgungsquelle gemäß Patentanspruch 1.
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Lineare LED-Treiber, ausgeführt als Stromquellen oder Stromsenken, wie in der 1 als Block B dargestellt, weisen gegenüber modulierten oder geschalteten pulsweitenmodulierten (PWM)-Treibern eine höhere Verlustleistung auf dem eigentlichen Treiberelement im Block B auf, da die von den LEDs (Baugruppe C) nicht benötigte Energie vom Treiber B in Wärme umgesetzt wird.
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Diese Verlustleistung ergibt sich aus dem Produkt des durch die jeweiligen LEDs fließenden Stroms und dem Spannungsüberschuss nach der Beziehung Ploss = (VSUPPLY – VLD)·ILD. Eine gewisse Verlustleistung bzw. ein geringer Spannungsüberschuss ist bei linearen LED-Treibern allerdings erforderlich, um die Konstanz des Ausgangsstroms und damit eine gewünschte gleichmäßige Helligkeit der LEDs sicherzustellen.
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Lineare LED-Treiber werden dort eingesetzt, wo sich Standardtreiber mit pulsweitenmodulierter Ansteuerung aufgrund des modulierten Lichtstroms als ungeeignet erweisen, z. B. bei speziellen optischen Systemen, Positionsbestimmungseinrichtungen, bei sich schnell bewegenden Objekten oder zur industriellen Hochgeschwindigkeits-Kamerabeleuchtung.
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Wenn bei den erwähnten Anwendungen der Lichtstrom der LED, der 1 mit g bezeichnet ist, geregelt wird, geschieht dies durch Veränderung des Stroms der LEDs ILD in Abhängigkeit eines kontinuierlich analogen oder beliebig kodierten quantisierten binären Steuersignals b. Dieses Signal b dient nicht primär der Austastung der LEDs, könnte aber auch hierfür Verwendung finden.
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Bei jeder Veränderung des LED-Stroms ändert sich durch die Wirkung der LEDs und/oder der Stromtreiber der Spannungsüberschuss und damit die Verlustleistung der Treiberschaltung B.
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Vielfach werden bei diesen Anwendungen sehr viele, räumlich dicht angeordnete LEDs eingesetzt, die selbst schon für einen hohen Wärmeeintrag in das Gesamtsystem sorgen. Ergänzend kommt bei derartigen Ausführungs- formen noch der durch die Treiberstufen verursachte Wärmeeintrag hinzu mit Problemen hinsichtlich der Langzeitstabilität derartiger Schaltungsanordnungen und einer Einschränkung der Anwendungsbereiche.
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Aus der
DE 101 40 331 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Steuerung von Lichtzeichen auf der Basis von LEDs vorbekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung ist eine Überwachungseinrichtung zum begrenzten Bestromen der lichtemittierenden Dioden ausgebildet, die auf eine lineare Treiberschaltung zurückgreift. Die prinzipielle Funktionsfähigkeit der Schaltung kann sowohl im ein- als auch im ausgeschalteten Zustand überwacht werden.
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Bei der LED-Treiberschaltung nach
DE 103 93 192 T5 kommt ein Stromregler für jeden Kanal zum Einsatz, wobei jeder Stromregler zur Steuerung des Stroms in jeweils einer LED genutzt wird. Zusätzlich ist eine Ladungspumpe zur Stromversorgung mehrerer LEDs und ein Spannungsregler zur Energieversorgung der Ladungspumpe vorhanden. Ein Detektor erfasst Stromabnormalitäten und ist an entsprechenden Strombegrenzungsbaugruppen vorgesehen. Zusätzlich kann der erwähnte Spannungsregler einen Ausgang aufweisen, der auf die Erfassung von Stromabnormalitäten, insbesondere einer Stromreduzierung bei geänderter Betriebsspannung reagiert.
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Ein dort vorhandener linearer Regler ist mit dem Eingangsspannungsanschluss verbunden und weist einen Steuerungsanschluss auf. An dem Steuerungsanschluss ist ein Rückkopplungssignal anliegend, das vom Detektor für Stromabnormalitäten abgeleitet wird. In dem Fall, wenn die Stromversorgung der LEDs unzureichend ist, wird dies vom Detektor als Unterspannung an einem oder mehreren Eingangsanschlüssen abgetastet. Beim Erfassen eines Unterspannungszustands steuert der Detektor den linearen Regler derart, dass die zur Ladungspumpe zugeführte Spannung einer Erhöhung unterliegt. Hierdurch kann die Unterspannung vermindert werden mit der Folge des Beibehaltens einer gleichmäßigen Beleuchtungsstärke.
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Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Verlustleistung linearer Stromtreiber für lichtemittierende Dioden anzugeben, wobei unabhängig von sich verändernden Parametern der eingesetzten lichtemittierenden Dioden und den jeweils eingestellten Strömen das gewünschte Minimieren der Verlustleistung der entsprechenden Treiberstufen gegeben ist. Dabei soll die erfindungsgemäße Lehre unabhängig von den eingesetzten lichtemittierenden Dioden oder der Topologie der Lineartreiber wirksam sein und sowohl statisch als auch dynamisch arbeiten.
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Ergänzend gilt es, bei einer mehrkanaligen Ausführung mit mehreren gleichartigen Stromquellen unabhängig von deren individueller Einstellung die Verlustleistung global zu reduzieren.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Verlustleistung linearer Stromtreiber für lichtemittierende Dioden (LED) gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Es wird demnach von einer Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Verlustleistung linearer Stromtreiber für LEDs, bestehend aus mindestens einer mit einem Steuersignal beaufschlagten Treiberstufe ausgegangen, an deren Ausgang eine oder mehrere LEDs angeschlossen sind und die eine Primärenergieversorgungsquelle aufweist.
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Erfindungsgemäß ist die Versorgungsspannung der mindestens einen LED auf der Basis einer Steuergröße veränderlich, wobei zum Ableiten der Steuergröße die jeweilige Verlustleistung der Treiberstufe ermittelt und als Steuersignal auf ein Regelnetzwerk geleitet ist. Hierdurch gelingt es, die LED-Versorgungsspannung c in Abhängigkeit vom Steuersignal durch Variation der Steuergröße einzustellen und insgesamt die auftretende Verlustleistung zu minimieren.
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Das Steuersignal d ist hierbei proportional der Spannung über dem steuernden Element des jeweiligen Stromtreibers.
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Für den Erhalt des Steuersignals d kann die jeweilige Spannung über einem vorhandenen Leistungstransistor des Stromtreibers abgegriffen werden.
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Auch kann alternativ das Steuersignal d auf der Basis der Ausgangsspannung der jeweiligen Stromtreiberstufe gegen Masse bestimmt werden.
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Ebenso besteht die Möglichkeit, das Steuersignal d aus dem Spannungsüberschuss zwischen der Versorgungsspannung und der über der mindestens einen LED abfallenden Spannung zu bestimmen.
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Bei einer Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Art, die mehrere Kanäle, bestehend aus jeweils einer Treiberstufe und mindestens einer LED, umfasst, sind die Steuersignale auf eine Verknüpfungsschaltung geführt, um als maßgebliches Steuersignal dasjenige aus den Eingangssteuersignalen zu bestimmen, welches den geringsten Pegel aufweist.
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Am erfindungsgemäß eingesetzten Regelnetzwerk kann ergänzend ein Vorgabewert anliegen, auf welchen die Größe des Steuersignals geregelt wird, wobei der Vorgabewert ≥ 0 ist und die technologisch erforderliche Minimalverlustleistung zum Erhalt der notwendigen Funktion der Gesamtanordnung repräsentiert.
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Über das Regelnetzwerk kann auch eine Begrenzung der maximalen Versorgungsspannung oder der Steuergröße erfolgen.
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Die ermittelte Steuergröße ist auf einen Energiewandler geführt, welcher aus der von der Primärenergieversorgungsquelle bereitgestellten Spannung die variable LED-Versorgungsspannung erzeugt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft also zusammenfassend eine Schaltungsanordnung und ein dieser innewohnendes Wirkprinzip, um die Verlustleistung linearer LED-Treiber auf ein technisch notwendiges Minimum zu reduzieren.
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Die Schaltungsanordnung ist dabei unabhängig von den eingesetzten LEDs oder der Topologie der Lineartreiber und kann sowohl statisch als auch dynamisch betrieben werden.
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Über die beschriebene Verknüpfungsschaltung, die als Summierglied ausgeführt ist, besteht die Möglichkeit, die Verlustleistung mehrerer gleichartiger Stromtreiber unabhängig von deren individueller Einstellung zu minimieren.
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Grundsätzlich gilt es, den Spannungsüberschuss VSUPPLY – VLD gemäß der eingangs erwähnten Gleichung für die Verlustleistung eines linearen LED-Treibers zu reduzieren.
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Da die Flussspannungen der LEDs nicht zeitlich konstant und genau vorhersehbar sind, kann die Auflösung der Gleichung rechnerisch nur in aufwendiger Weise erfolgen. Die Schaltungsanordnung schafft hier eine einfache und praktikable Lösung, indem davon ausgegangen wird, dass der Spannungsüberschuss identisch mit der ausgangsseitig über der linearen Treiberstufe abfallenden Spannung ist, wenn man diese als Vierpol betrachtet.
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Wird diese Spannung auf dem Steuersignal d abgebildet, kann damit die Versorgungsspannung der LEDs (VSUPPLY) nachgeregelt werden, um den Spannungsüberschuss wie dargelegt zu minimieren.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild bisheriger Anordnungen linearer LED-Treiberschaltungen und
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2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Mehrkanal-Ausführungsform.
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Bei der in der 1 dargestellten bekannten Architektur von Mehrkanal-Lineartreibern wird von einem Signal a ausgegangen, welches die von außen bereitgestellte Primärenergieversorgungsspannung darstellt. Das Signal a ist konstant.
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Der LED-Stromtreiber B hält in Abhängigkeit seines jeweiligen Steuersignals b den elektrischen Strom durch die LEDs C zeitkontinuierlich konstant.
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Die Steuersignale b können entsprechend der Ausführung der Stromtreiber B kontinuierlich analog, quantisiert binär mit beliebiger Kodierung, als konstante Referenz oder dynamisch ausgeführt werden.
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Die Steuersignale mehrerer Kanäle (b1, b2, ... bn) können in ihrer Größe unterschiedlich sein.
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In der Baugruppe C können mehrere LEDs in beliebiger Konfiguration seriell oder parallel verschaltet vorliegen. Die innere Struktur der Baugruppen C ist gleich.
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Der Lichtstrom g wird von den LEDs C in direkter Abhängigkeit vom fließenden Strom erzeugt. Bei der Verwendung mehrerer Kanäle ist es üblich und vorteilhaft, alle Baugruppen B und C identisch auszuführen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der Darstellung nach 2 wird von einer variablen Stromversorgungseinheit A ausgegangen. Weiterhin sind lineare Stromquellen oder Stromsenken B (B1 bis Bn) beliebigen Aufbaus vorhanden. Diese linearen Stromquellen oder Stromsenken B steuern LEDs bzw. Module mit mehreren LEDs C1 bis Cn an.
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Darüber hinaus ist eine Baugruppe zur Regelspannungsgewinnung bzw. Sättigungsüberwachung D1 bis Dn vorhanden. Diese Baugruppe ist also in jedem der gezeigten Kanäle vorgesehen.
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Ein Summierglied E steht mit Ausgängen der Module D jeweils in Verbindung.
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Weiterhin ist ein Regelnetzwerk F zur Gewinnung des Vorgabewerts für die Stromversorgungseinheit A, ausgeführt als Energiewandler, vorhanden.
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Der Energiewandler erzeugt aus der Primärenergieversorgungsquelle a eine variable LED-Versorgungsspannung c.
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Um nun die im Treiber B durch den Spannungsüberschuss entstehende Verlustleistung zu senken, ist erfindungsgemäß die LED-Versorgungsspannung c durch Einspeisung einer Steuergröße f in den Energiewandler A veränderlich.
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Die Primärenergieversorgungsquelle a kann bei entsprechenden Eigenschaften des Energiewandlers A zeitlich veränderlich oder von der Stromart der LED-Versorgungsspannung c verschieden sein.
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In der Baugruppe D wird ein Steuersignal d erzeugt, welches eine Information über die in der Baugruppe B entstehende Verlustleistung enthält und dieser proportional ist.
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Bei einfachen Lineartreibern ist das Steuersignal d proportional der Spannung über dem steuernden Element, z. B. einem Längstransistor oder dergleichen. Die Steuersignalinformation kann aber auch aus den im Stromtreiber B vorliegenden Signalen gewonnen werden, und zwar in Abhängigkeit vom jeweils realisierten Aufbau der Stromtreiber.
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In einem einfachen Fall kann das Steuersignal d aus dem direkt messbaren Spannungsüberschuss (VSUPPLY – VLD) gewonnen werden.
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Es besteht die Möglichkeit, die Baugruppe D vollständig oder teilweise in die Treiberschaltung B zu integrieren.
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Die Steuersignale d verschiedener Kanäle (d1, d2 bis dn) ergeben sich dynamisch aus den jeweiligen Betriebszuständen der Treiber B und den LED-Modulen C und können unterschiedlich sein.
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Hierfür ist eine Verknüpfungsschaltung als Summierglied E vorhanden, und zwar ausgebildet als selektiver Summenknoten, der die Steuersignale d in einer Weise verknüpft, dass dasjenige Signal d mit dem geringsten Pegel das Ausgangssignal e dominiert.
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Diese Minimumregelung sichert, dass kein Stromtreiber B sein technisch erforderliches Verlustleistungsminimum oder seinen Steuerbereich verlässt.
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Die Steuersignale e und d sind in ihrer physikalischen Dimension und Skalierung identisch.
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Wenn nur ein Kanal Verwendung findet, kann das Summierglied E entfallen und das Steuersignal e ergibt sich direkt aus dem Steuersignal d des betreffenden einzigen Kanals.
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Das Regelnetzwerk F stellt die LED-Versorgungsspannung c in Abhängigkeit des Steuersignals e bzw. d bei Einzelkanalbetrieb durch Veränderung des Vorgabewerts f für den Spannungsregler A ein.
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Das Regelnetzwerk F erhält ergänzend einen Vorgabewert e' für die Größe vom Steuersignal e, auf den dieses Signal geregelt wird. Dieser Wert kann durch eine Referenzspannung oder durch Bauelementeauswahl des Regelnetzwerks realisiert werden.
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Das Regelnetzwerk F kann auch einen Fehlerverstärker enthalten, der eine Regelabweichung e'-e berechnet und daraus mit Benutzung einer beliebigen Reglertopologie durch Auswertung des Momentanwerts der LED-Versorgungsspannung c das Vorgabesignal f für die Baugruppe A erzeugt.
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Der Vorgabewert e' ist ein fester Wert ≥ 0, der die technologisch erforderliche Minimalverlustleistung, d. h. den Spannungsüberschuss zur Sicherstellung der korrekten Funktion jeder Treiberstufe B darstellt.
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Die eigentliche LED-Versorgungsspannung c wird in den durch die Baugruppe A gegebenen Grenzen dynamisch nach den jeweiligen Betriebsbedingungen der Treiber B und der LEDs C eingestellt.
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Das Regelnetzwerk F kann zusätzliche Maßnahmen zur Begrenzung der LED-Versorgungsspannung c und des Vorgabesignals f enthalten. Diese werden durch das Signal f' zusammengefasst. Das Regelnetzwerk F kann vollständig oder teilweise im Energiewandler bzw. Spannungsregler A enthalten sein, um dort vorhandene Funktionsgruppen zu nutzen, so dass der Gesamtaufwand der Schaltungsanordnung weiter reduziert ist.
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Mit der vorgestellten Schaltungsanordnung werden typenspezifische Eigenschaften der LEDs und durch deren Ansteuerung verursachte Veränderungen durch die vorhandene Regelschleife kompensiert. Die Baugruppe A kann selbst die Primärenergieversorgungsquelle darstellen, sofern deren Ausgangsspannung steuerbar ist.
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Da die Baugruppe A ein beliebiger Energiewandler, z. B. ein Wechselspannungsnetzwerk, ein Gleichspannungswandler, ein Boost-Konverter oder Ähnliches aufweisen kann und seine Aufgabe die Einstellung einer durch das Signal f bestimmten Ausgangsspannung ist, besteht die Möglichkeit, diese Baugruppe so auszuführen, dass eingangsseitig mit einer Spannung a gearbeitet werden kann, die höher oder niedriger als die LED-Versorgungsspannung c ist. Beispielweise kann ein galvanisch getrenntes Wechselspannungsnetzteil mit einer Eingangsspannung von 90 V bis 240 V Wechselstrom genutzt werden, an dessen Ausgang ein durch das Signal f gesteuerter Spannungswert vorliegt, und zwar unabhängig davon, ob gerade am Eingang eine minimale oder maximale Wechselspannung gegeben ist.
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Mit der vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung gelingt es, LEDs mit einer vorher spezifizierten, in ihrer Größe konstanten oder veränderlichen Primärenergieversorgung beliebiger Stromart anzusteuern. Auch die Konfiguration der LEDs kann beliebig sein. Grundsätzlich kann der Einsatz aller möglichen linearen Stromquellen oder Stromsenken mit konstantem oder durch das Steuersignal b veränderlichem Treiberstrom erfolgen. Eine Modellbildung und/oder ein prädiktive Berechnung ist nicht erforderlich. Das vorgestellte Regelprinzip wirkt objektiv und ist nicht auf die Verarbeitung der Steuersignale b der Treiberstufen B angewiesen. Auch kann eine kooperative dynamische Regelung mehrerer identischer Kanäle erfolgen, und zwar mit einer einzigen Stromversorgungseinheit A.
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Die Erzielung der kleinstmöglichen Verlustleistung des Gesamtsystems ist dabei in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand der Treiber B bzw. LED-Module C und der Steuersignale b möglich. Weiterhin ist eine dynamische Anpassung der LED-Versorgungsspannung c an die Konfiguration der LEDs im Modul C und der vom Treiber B erzeugten Ströme gegeben.
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Die Regelung ist so umgesetzt, dass zur Gewährleistung der Funktionalität der Treiber der Spannungsüberhang zu keiner Zeit bzw. für keinen LED-Strom unter einen minimalen Spannungsüberschuss fällt. Derjenige LED-Kanal, der den höchsten eingestellten LED-Strom führt, wird, bei für alle Kanäle gleich großer LED-Betriebsspannung, die höchste LED-Flussspannung und daher den geringsten Spannungsüberhang aufweisen. Wird nun der Spannungsüberhang dieses Kanals auf ΔV(min) eingestellt, wird die Verlustleistung minimal, ohne dass der entsprechende LED-Treiber in seiner Funktion beeinträchtigt wird. Diese Einstellung wird wie vorgeschlagen ohne Beeinflussung des LED-Stroms nur durch Veränderung der gemeinsamen LED-Betriebsspannung VSUPPLY vorgenommen, dabei wird die LED-Betriebsspannung den Wert VSUPPLY(min) für den genannten Kanal annehmen. Alle weiteren LED-Kanäle werden durch die dort geringere LED-Flussspannung einen höheren Spannungsüberhang aufweisen. Die jeweilige Verlustleistung dieser Kanäle wird jedoch immer geringer sein als bei dem LED-Kanal mit dem höchsten LED-Strom, da dieser quadratisch in die Verlustleistung eingeht und sich der Einfluss eines größeren Spannungsüberhangs mit sinkendem LED-Strom zusätzlich linear abschwächt.
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Wird gemäß der erfindungsgemäßen Erkenntnis die LED-Betriebsspannung so eingestellt, dass mindestens ein LED-Kanal die minimale Verlustleistung erbringt, ist hierdurch das globale Minimum der Gesamtverlustleistung für alle Kanäle erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10140331 A1 [0008]
- DE 10393192 T5 [0009]
