DE102010028795A1 - Circuit for operating a light unit and luminaire with such a circuit - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Schaltung zum Betrieb einer Leuchteinheit angegeben, umfassend einen Stromspiegel (Q2, Q3), der über eine Referenzspannungsquelle (110) vorspannbar ist, wobei der Stromspiegel (Q2, Q3) mit einer Regelstrecke (Q1) verbunden ist, mithilfe derer ein Strom von einer Energiequelle (120) zu der Leuchteinheit (130) einstellbar ist. Weiterhin wird eine Leuchte vorgeschlagen umfassend eine solche Schaltung.The invention relates to a circuit for operating a lighting unit, comprising a current mirror (Q2, Q3) which can be pretensioned via a reference voltage source (110), the current mirror (Q2, Q3) being connected to a controlled system (Q1), by means of which a current is adjustable from an energy source (120) to the lighting unit (130). Furthermore, a lamp is proposed comprising such a circuit.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betrieb einer Leuchteinheit sowie eine Leuchte mit einer solchen Schaltung.The invention relates to a circuit for operating a lighting unit and a lamp with such a circuit.
Herkömmliche LED-Taschenleuchten verwenden oft nur einen ohmschen Vorwiderstand zur Einstellung des LED-Stroms. Liegt die nominale Versorgungsspannung nicht deutlich über der LED-Spannung, ergibt sich eine starke Abhängigkeit des LED-Stroms und damit der Helligkeit von der Versorgungsspannung. Somit wirkt sich der Zustand der Batterie oder des Akkumulators deutlich wahrnehmbar auf die Helligkeit der LED-Taschenleuchte aus. Dies führt dazu, dass ein Nutzer die Batterien bereits frühzeitig austauscht. So wird die Kapazität der chemischen Zelle eher selten bis zur möglichen unteren Spannung ausgenutzt.Conventional LED torches often use only a resistive resistor to adjust the LED current. If the nominal supply voltage is not significantly higher than the LED voltage, there is a strong dependence of the LED current and thus the brightness of the supply voltage. Thus, the condition of the battery or the accumulator has a noticeable effect on the brightness of the LED flashlight. As a result, a user replaces the batteries early. Thus, the capacity of the chemical cell is rarely exploited until the possible lower voltage.
Es sind weiterhin elektronische Konstantstromquellen bekannt, die Spezialschaltkreise einsetzen und eine verhältnismäßig hohe Versorgungsspannung zum Betrieb benötigen. Daraus resultieren erhebliche Verluste, die beispielsweise die Batterielaufzeit der Taschenleuchte entsprechend verkürzen.There are also known electronic constant current sources that use special circuits and require a relatively high supply voltage for operation. This results in significant losses, for example, shorten the battery life of the flashlight accordingly.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit für eine einfache (lineare) Konstantstromquelle zu schaffen, beispielsweise zum Betrieb einer Taschenleuchte oder Leuchteinheit mit mindestens einem Halbleiterleuchtelement.The object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned above and in particular to provide a possibility for a simple (linear) constant current source, for example for the operation of a flashlight or lighting unit with at least one semiconductor element.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved according to the features of the independent claims. Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zum Betrieb einer Leuchteinheit angegeben,
- – umfassend einen Stromspiegel, der über eine Referenzspannungsquelle vorspannbar ist,
- – wobei der Stromspiegel mit einer Regelstrecke verbunden ist, mithilfe derer ein Strom von einer Energiequelle zu der Leuchteinheit einstellbar ist.
- Comprising a current mirror, which can be biased by a reference voltage source,
- - Wherein the current mirror is connected to a controlled system, by means of which a current from an energy source to the lighting unit is adjustable.
Die Energiequelle kann mindestens eine (wiederaufladbare) Batterie umfassen.The power source may include at least one (rechargeable) battery.
Die vorgeschlagene Lösung hat den Vorteil, dass die in einer Batterie gespeicherte elektrische Energie effizient genutzt wird.The proposed solution has the advantage that the electrical energy stored in a battery is used efficiently.
Die hier vorgeschlagene Konstantstromquelle kann mit einem geringen Spannungsabfall betrieben werden und weist eine gute Konstantstromcharakteristik auf.The constant current source proposed here can be operated with a small voltage drop and has a good constant current characteristic.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Leuchteinheit mindestens ein Halbleiterleuchtelement umfasst.A development is that the lighting unit comprises at least one semiconductor element.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Regelstrecke in Reihe mit der Leuchteinheit geschaltet ist.Another development is that the controlled system is connected in series with the lighting unit.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass ein Strommesswiderstand in Reihe mit der Regelstrecke und der Leuchteinheit geschaltet ist, wobei der Strommesswiderstand mit dem Stromspiegel verbunden ist.In particular, it is a development that a current measuring resistor is connected in series with the controlled system and the lighting unit, wherein the current measuring resistor is connected to the current mirror.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass parallel zu der Reihenschaltung aus Strommesswiderstand, Regelstrecke und Leuchteinheit die Energiequelle angeordnet ist.It is also a development that the energy source is arranged parallel to the series circuit of current measuring resistor, controlled system and lighting unit.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der Stromspiegel zwei Bipolartransistoren aufweist, wobei die Bipolartransistoren über ihre Basisanschlüsse miteinander und mit dem Kollektoranschluss eines der Bipolartransistoren verbunden sind.Furthermore, it is a further development that the current mirror has two bipolar transistors, wherein the bipolar transistors are connected to each other via their base terminals and to the collector terminal of one of the bipolar transistors.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist der eine Bipolartransistor des Stromspiegels in Basisschaltung angeordnet, wobei der von dem Strommesswiderstand detektierbare Strom als Spannungsabfall auf den Emitter dieses Bipolartransistors koppelbar ist. Der andere Bipolartransistor des Stromspiegels ist in Emitterschaltung angeordnet und mit seinem Kollektor mit der Regelstrecke, insbesondere einem Eingang der Regelstrecke, verbunden.In the context of an additional development of a bipolar transistor of the current mirror is arranged in base circuit, wherein the current detectable by the current measuring current can be coupled as a voltage drop to the emitter of this bipolar transistor. The other bipolar transistor of the current mirror is arranged in emitter circuit and connected to its collector with the controlled system, in particular an input of the controlled system.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass ein Schalter zwischen der Regelstrecke und der Energiequelle angeordnet ist.A next development is that a switch between the controlled system and the power source is arranged.
Insbesondere kann der Schalter die Regelstrecke von der Energiequelle trennen. Beispielsweise kann der Schalter direkt, über einen oder über mehrere Widerstände mit der Basis des Transistors, der als Regelstrecke einsetzbar ist, verbunden sein. Wird der Schalter geöffnet, sperrt der Transistor, die Schaltung ist inaktiv. In particular, the switch can disconnect the controlled system from the energy source. For example, the switch can be connected directly, via one or more resistors to the base of the transistor, which can be used as a controlled system. If the switch is opened, the transistor blocks, the circuit is inactive.
Eine Ausgestaltung ist es, dass die Regelstrecke einen Transistor umfasst.An embodiment is that the controlled system comprises a transistor.
Insbesondere kann es sich bei der Regelstrecke um einen Bipolartransistor, z. B. einen pnp-Transistor, handeln. Auch können die hier erwähnten Transistoren durch andere Transistoren (z. B. Feldeffekt-Transistoren) oder elektronische Bauteile zum Schalten oder Verstärken elektrischer Signale ersetzt werden.In particular, it can be in the controlled system to a bipolar transistor, z. B. a pnp transistor act. Also, the transistors mentioned herein may be replaced by other transistors (eg field effect transistors) or electronic components for switching or amplifying electrical signals.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Basis des Transistors als Regelstrecke mit dem Stromspiegel verbunden ist.An alternative embodiment is that the base of the transistor is connected as a controlled system to the current mirror.
Somit ermöglicht der Transistor eine Regelstrecke und wird über den aus der Referenzspannung vorgespannten Stromspiegel angesteuert.Thus, the transistor allows a controlled system and is driven via the biased from the reference voltage current mirror.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass der Transistor ein Bipolartransistor mit niedriger Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung ist.A next embodiment is that the transistor is a bipolar transistor with low collector-emitter saturation voltage.
Ein solcher Bipolartransistor mit niedriger Sättigung wird auch bezeichnet als ein ”Low-Saturation” Bipolartransistor.Such a low saturation bipolar transistor is also referred to as a "low saturation" bipolar transistor.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Referenzspannungsquelle eine Referenzspannung bereitstellt, die von der Energiequelle erzeugbar ist.It is also an embodiment that the reference voltage source provides a reference voltage that can be generated by the energy source.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass eine Diode, z. B. eine Zenerdiode und/oder eine Leuchtdiode, und/oder eine Band-Gap-Referenz zur Einstellung der Referenzspannung vorgesehen ist.A development is that a diode, z. B. a zener diode and / or a light emitting diode, and / or a band-gap reference for adjusting the reference voltage is provided.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass der Stromspiegel zwei pnp-Transistoren aufweist und bei der die Regelstrecke einen pnp-Transistor umfasst.An additional embodiment is that the current mirror has two pnp transistors and in which the controlled system comprises a pnp transistor.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Leuchte umfassend die Schaltung wie hier beschrieben.The above object is also achieved by a luminaire comprising the circuit as described herein.
Bei der Leuchte kann es sich um eine Handleuchte oder um eine Taschenleuchte handeln.The lamp may be a flashlight or a flashlight.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.Embodiments of the invention are illustrated and explained below with reference to the drawing.
Es zeigt:It shows:
Eine Referenzspannungsquelle
Die Referenzspannungsquelle
Der Knoten
Der Kollektor des Transistors Q2 ist mit der Basis eines pnp-Transistors Q1 verbunden, wobei die Basis des Transistors Q1 weiterhin über einen Widerstand R5 mit dem Knoten
Der Knoten
Die Leuchteinheit
Der Knoten
Wird der Schalter S1 geschlossen, wird die Leuchteinheit
Die in
Der Stromspiegel umfassend die Transistoren Q2 und Q3 wird mittels des Widerstands R3 über den Emitter des Transistors Q2 auf ein Referenzpotential Vref eingestellt. Der Widerstand R1 dient an dem Emitter des Transistors Q3 als ein Strommesswiderstand (Shunt).The current mirror comprising the transistors Q2 and Q3 is set by means of the resistor R3 via the emitter of the transistor Q2 to a reference potential Vref. The resistor R1 serves as a current measuring resistor (shunt) at the emitter of the transistor Q3.
Der Kollektorstrom beträgt wobei
- IC
- den Kollektorstrom,
- IS
- einen Sperrstrom,
- T
- die Temperatur,
- UCE
- eine Kollektor-Emitter-Spannung,
- UBE
- eine Basis-Emitter-Spannung,
- UT
- eine Temperaturspannung
- I C
- the collector current,
- I S
- a reverse current,
- T
- the temperature,
- U CE
- a collector-emitter voltage,
- U BE
- a base-emitter voltage,
- U T
- a temperature voltage
Die Temperaturspannung UT beträgt ca. 26 mV bei 23°C. Der Stromspiegel umfasst die Transistoren Q2, Q3, z. B. in Form eines Doppeltransistors mit nahezu identischem Sperrstrom IS und nahezu identischem Kollektorstrom IC. Somit folgt für das Verhältnis der Kollektorströme der beiden Transistoren Q2 und Q3: The temperature voltage U T is approximately 26 mV at 23 ° C. The current mirror comprises the transistors Q2, Q3, z. B. in the form of a double transistor with almost identical reverse current I S and almost identical collector current I C. Thus, for the ratio of the collector currents of the two transistors Q2 and Q3 follows:
Der Transistor Q1 realisiert eine Regelstrecke und wird über den aus der Referenzspannung Vref vorgespannten Stromspiegel gesteuert.The transistor Q1 implements a controlled system and is controlled by the current mirror biased from the reference voltage Vref.
Insbesondere wird als Transistor Q1 ein sogenannter Low-Saturation-Bipolartransistor Q1 eingesetzt, der bis zu sehr kleinen Spannungsabfällen (z. B. 100 mV) über seiner Emitter-Kollektor-Strecke betreibbar ist.In particular, a so-called low-saturation bipolar transistor Q1 is used as transistor Q1, which can be operated up to very small voltage drops (eg 100 mV) across its emitter-collector path.
Der LED-Strom wird über den Widerstand R1 (Shuntwiderstand) in dem Emitterkreis des Transistors Q1 gemessen und auf den in Basisschaltung betriebenen sowie von der Referenzspannungsquelle Vref vorgespannten Transistor Q3 des bipolaren Stromspiegels gekoppelt. Der andere Transistor Q2 des Stromspiegels ist in Emitterschaltung angeordnet und mit seinem Kollektor mit der Basis des Transistors Q1 verbunden. Hierdurch wird der Regelkreis geschlossen.The LED current is measured via the resistor R1 (shunt resistor) in the emitter circuit of the transistor Q1 and coupled to the base-commutated and biased by the reference voltage source Vref transistor Q3 of the bipolar current mirror. The other transistor Q2 of the current mirror is arranged in emitter circuit and connected with its collector to the base of the transistor Q1. This will close the loop.
Im aktiven Betrieb der Schaltung (also bei geschlossenem Schalter S1) erfolgt an einem Knoten
Vorzugsweise dient der Schalter S1 dazu, das ganze System mit geringem Leistungsbedarf ein- und auszuschalten, ohne die Batterie abklemmen zu müssen. Trotzdem ist sichergestellt, dass bei geöffnetem Schalter S1 kein Strom verbraucht wird.Preferably, the switch S1 serves to turn on and off the whole system with low power consumption without having to disconnect the battery. Nevertheless, it is ensured that no power is consumed when switch S1 is open.
Beispielsweise kann bei einer Versorgungsspannung Vbat in einem Bereich von 0 V bis 5 V bereits bei einem geringen Spannungsabfall über den Widerstand R1 und den Transistor Q1 in Höhe von 280 mV ein LED-Strom von ca. 142 mA (dies entspricht bereits ca. 97,5% des Maximums bei der 5 V-Versorgungsspannung) erreicht werden.For example, at a supply voltage Vbat in a range of 0 V to 5 V, even at a low voltage drop across the resistor R1 and the transistor Q1 in the amount of 280 mV, an LED current of about 142 mA (this already corresponds to approximately 97, 5% of the maximum at the 5V supply voltage).
Mit dieser kostengünstigen Schaltung ist eine sehr gute Stromkonstanz der LED bei minimalem Spannungsabfall, also bis zu sehr kleinen Batteriespannungen, möglich. Hierdurch wird die Batterie effizient genutzt, indem möglichst lange eine nahezu konstante Helligkeit der LED gewährleistet ist.With this cost-effective circuit, a very good current constancy of the LED with minimal voltage drop, so up to very small battery voltages possible. As a result, the battery is used efficiently, as long as possible, a nearly constant brightness of the LED is guaranteed.
Hierbei sei angemerkt, dass die in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101101
- Knotennode
- 102102
- Knotennode
- 103103
- Knotennode
- 110110
- ReferenzspannungsquelleReference voltage source
- 120120
- Batterie (Energieversorgung)Battery (power supply)
- 130130
- Leuchteinheitlight unit
- RiRi
- Widerstandresistance
- QiQi
- pnp-TransistorPNP transistor
- S1S1
- Schalterswitch
- VrefVref
- Referenzspannungreference voltage
- VbatVbat
- Batteriespannungbattery voltage
Claims (13)
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