DE102011015712B4

DE102011015712B4 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmittels

Info

Publication number: DE102011015712B4
Application number: DE102011015712.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Trattler
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: US20120268029A1; US8779677B2; DE102011015712A1

Abstract

Schaltungsanordnung zum Treiben eines Leuchtmittels, umfassend:- einen ersten einstellbaren Strompfad (1) zum Laden einer anschließbaren Kapazität, der einen Anschluss für eine Batterie (BAT_IN) mit einem Anschluss für eine Kapazität (CAP_IN) verbindet,- einen zweiten einstellbaren Strompfad (2) zum Versorgen des Leuchtmittels, der den Anschluss für eine Kapazität (CAP_IN) mit einem Anschluss für ein Leuchtmittel (LED_OUT) verbindet,- einen dritten einstellbaren Strompfad (3) zum Versorgen des Leuchtmittels, der den Anschluss für eine Batterie (BAT_IN) mit dem Anschluss für ein Leuchtmittel (LED_OUT) verbindet und- eine Kontrolleinheit (CTRL), die einen Kontrolleingang (IN) aufweist und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von am Kontrolleingang (IN) anlegbaren Kontrollsignalen (I_in) jeweils Stromstärken (I_CHRG, I_CAP, I_DIRECT) am ersten, zweiten und dritten Strompfad (1, 2, 3) einzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmittels, insbesondere einer Leuchtdiode.
Mobile Multimediageräte, wie digitale Kompaktkameras, Mobiltelefone und Smartphones vereinen eine stetig wachsende Funktionsvielfalt. Diese Geräte fordern aufgrund ihrer auch einen kontinuierlich steigenden Stromverbrauch, der durch moderne Energielieferanten gedeckt werden muss. Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren oder Superkondensatoren bieten eine sehr hohe Energiedichte und Kapazität, was sie für den mobilen Einsatz auszeichnet. Mit fortschreitender Miniaturisierung der Multimediageräte müssen jedoch Wege gefunden werden, diese Bauelemente klein und kompakt verwenden zu können.
Kamerafunktionen sind in modernen Multimediageräten nicht mehr wegzudenken. Dabei kommen auch Blitzleuchtmittel wie ein LED-Blitz zum Einsatz und sind wegen ihrer hohen Stromanforderungen ein Hauptverbraucher, der mittels Superkondensatoren betrieben werden soll. Spezielle Treiberschaltungen sind in der Lage aus einer Batterie genügend Ladung auf einen Superkondensator zu speichern und zum Auslösen des Blitzes kurzfristig bereitzustellen. In handelsüblichen Schaltungen werden jedoch nur wenige Maßnahmen implementiert, mit denen ein energieeffizientes Energiemanagement möglich wäre. Dies hat zur Folge, dass die verbauten Superkondensatoren unnötig groß dimensioniert werden müssen.
Die Druckschrift DE 10 2009 018 098 A1 zeigt eine Ladeschaltung für einen Ladungsspeicher mit einen ersten Anschluss zum Zuführen einer Ladespannung und zum Anschliessen des auf einen Bezugspotentialanschluss bezogenen Ladungsspeichers, sowie mit einem zweiten Anschluss zum Bereitstellen einer Verbraucherspannung und zum Anschliessen eines elektrischen Verbrauchers. Ferner ist eine Steueranordnung vorgesehen, die mit dem ersten und dem zweiten Anschluss gekoppelt ist. Ein Signalausgang dient zum Bereitstellen eines ersten Ladezustandssignals und ein Testausgang zum Bereitstellen eines Testsignals. Eine Stromquelle ist mit dem zweiten Anschluss gekoppelt, wobei das erste Ladezustandssignal in Abhängigkeit eines Werts einer Zusatzspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss, sowie in Abhängigkeit des Testsignals bereitgestellt ist und wobei die Ladespannung in Abhängigkeit des ersten Ladezustandssignals zugeführt ist.
US 2008 0129219 A1 zeigt ferner eine Stromversorgung zum Speisen einer Last, wobei die Last in der Form einer Flash-Treiberschaltung für eine digitale Kamera ausgeführt ist. Die Stromversorgung umfasst eine superkapazitive Vorrichtung in Form eines Superkondensators zur Speisung der Schaltung. Eine Regeleinheit in Form von eines induktiven Reglers, lädt dabei den Superkondensator auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmittels bereitzustellen, das bei kompakter Ausführbarkeit eine ausreichende Stromversorgung bereitstellen kann.
Die Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer Ausführungsform umfasst eine Schaltungsanordnung zum Treiben eines Leuchtmittels, insbesondere zum Treiben einer Leuchtdiode, einen ersten einstellbaren Strompfad, der einen Anschluss für eine Batterie mit einem Anschluss für eine Kapazität verbindet. Des Weiteren ist ein zweiter einstellbarer Strompfad vorgesehen, der den Anschluss für eine Kapazität mit einem Anschluss für ein Leuchtmittel verbindet. Schließlich weist die Schaltungsanordnung einen dritten einstellbaren Strompfad auf, der den Anschluss für eine Batterie mit dem Anschluss für ein Leuchtmittel verbindet. Eine Kontrolleinheit dient dazu, Stromstärken am ersten, zweiten und dritten Strompfad einzustellen.
Im Betrieb der Schaltungsanordnung sind beispielsweise am Anschluss für eine Batterie eine Batterie oder ein Akkumulator angeschlossen. Dieser dient dazu, eine Batteriespannung zur Verfügung zu stellen und den Betrieb angeschlossener Lasten an der Schaltungsanordnung zu ermöglichen. Ferner ist am Anschluss für eine Kapazität eine herkömmliche Kapazität oder bevorzugt ein Superkondensator angeschlossen. Dieser wird in Abhängigkeit der Batteriespannung mit einer Ladespannung aufgeladen und steht als Energiespeicher für die Schaltungsanordnung zur Verfügung. Am Eingang für ein Leuchtmittel ist ein Leuchtmittel und bevorzugt eine Leuchtdiode angeschlossen. Dieses Leuchtmittel kann sowohl mittels des zweiten und / oder dritten einstellbaren Strompfades bevorzugt als Blitzgerät betrieben werden.
Die Kontrolleinheit ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einem am Kontrolleingang anlegbaren Kontrollsignal jeweils Stromstärken am ersten, zweiten und dritten Strompfad einzustellen. So dient etwa der erste einstellbare Strompfad dazu, die Kapazität aufzuladen. Mit dem zweiten und dritten einstellbaren Strompfad kann durch Einstellen entsprechender Stromstärken das Leuchtmittel betrieben werden.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass neben der auf der Kapazität gespeicherten Ladespannung auch auf direkte Weise zusätzlich die Batteriespannung und eine entsprechend eingestellte Stromstärke zum Betrieb des Leuchtmittels verwendet werden kann. Aufgrund dieser zweifachen Stromversorgung ist die Schaltungsanordnung besonders effizient. Dies hat den Vorteil, dass die verwendete Kapazität, bevorzugt der Superkondensator, kleiner und kompakter gewählt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei geforderter kompakter Bauweise den Betrieb des Leuchtmittels zu ermöglichen. Durch die kleinere Baugröße der Kapazität ergeben sich weiterhin Kosteneinsparungen.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Kontrolleinheit die jeweiligen Stromstärken in einem Lademodus und in einem ersten Betriebsmodus ein. Dabei wird in dem Lademodus eine Ladestromstärke am ersten Strompfad eingestellt. Im ersten Betriebsmodus wird am zweiten Strompfad eine Kapazitätsstromstärke und am dritten Strompfad eine Direktstromstärke eingestellt.
Die Ladestromstärke definiert, wie die Kapazität aufgeladen wird und damit die Höhe der Ladespannung. Dieses wird bevorzugt separat von den anderen verbleibenden Strompfaden durchgeführt. Im ersten Betriebsmodus hingegen werden sowohl die Kapazitätsstromstärke und die Direktstromstärke eingestellt. Während des ersten Betriebsmodus wird die Kapazität entsprechend der eingestellten Kapazitätsstromstärke entladen, um beispielsweise das Leuchtmittel als Blitz zu verwenden. Der Superkondensator oder die Kapazität wird in der Höhe der einstellbaren Kapazitätsstromstärke direkt entladen. Die Direktstromstärke wird direkt auf das Leuchtmittel geführt und dabei in der Höhe durch die Direktstromstärke mittels der Kontrolleinheit definiert.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kontrolleinheit eingerichtet zwischen Lademodus und ersten Betriebsmodus zu schalten. Dies erfolgt in der Art, dass die Ladestromstärke lediglich im Lademodus eine von Null verschiedene Stromstärke aufweist. Auf diese Weise wird nur während des Lademodus die Kapazität aufgeladen.
Im in der Regel zeitlich folgenden ersten Betriebsmodus werden die Kapazitätsstromstärke und Direktstromstärke jeweils eine von Null verschiedene Stromstärke aufweisen. Dabei werden die Kapazitätsstromstärke und Direktstromstärke bevorzugt gleichzeitig eingestellt.
Aufgrund der vorgestellten Trennung zwischen Lademodus und erstem Betriebsmodus werden also eine Ladephase und eine erste Betriebsphase definiert. Diese Phasen können beispielsweise durch das Kontrollsignal an der Kontrolleinheit initiiert werden. Bevorzugt wird im ersten Betriebsmodus das Leuchtmittel nach Art eines Blitzes ausgelöst.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung einen ersten Gleichspannungswandler auf. Dieser ist so mit dem Anschluss für eine Batterie gekoppelt, dass der erste und dritte einstellbare Strompfad den ersten Gleichspannungswandler umfassen. Ferner ist der Gleichspannungswandler mittels einer Steuerleitung mit der Kontrolleinheit steuerbar verbunden.
Durch die gemeinsame Nutzung des ersten Gleichspannungswandlers durch den ersten und dritten einstellbaren Strompfad lässt sich eine weitere Miniaturisierung der Schaltungsanordnung erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der erste Gleichspannungswandler einen Laststromtransistor, der mittels seiner Lastseite den Anschluss für eine Batterie mit den Anschlüssen für eine Kapazität und für das Leuchtmittel koppelt. Mittels seiner Steuerseite ist der Laststromtransistor mit der Kontrolleinheit verbunden. Des Weiteren weist der erste Gleichspannungswandler einen Ladestromtransistor auf, wobei dieser Teil einer Reihenschaltung aus dem Anschluss für eine Batterie, dem Ladestromtransistor mittels seiner Lastseite, einer Messeinheit und der Kontrolleinheit. Der Ladestromtransistor ist zudem mittels einer Steuerseite mit der Kontrolleinheit verbunden.
In Abhängigkeit der Batteriespannung wird ein Laststrom in den ersten und dritten einstellbaren Strompfad eingespeist. Über den Ladestromtransistor kann dabei der Laststrom mittels der Kontrolleinheit eingestellt werden. Dazu ist die Messeinrichtung eingerichtet den Laststrom zu erfassen. Dem ersten Gleichspannungswandler dient eine am Anschluss für eine Batterie anschließbare Induktivität als Energiespeicher.
Der erste Gleichspannungswandler in der vorgeschlagenen Ausführung erlaubt, dass die Notwendigkeit für eine zusätzliche Stromquelle oder alternativ ein Anschließen eines Widerstands auf Seiten der elektrischen Last wie des Leuchtmittels entfällt. Gewissermaßen entspricht der Gleichspannungswandler einer Stromquelle. Der Gleichspannungswandler kann zudem in Art eines Aufwärts-Abwärts-Wandlers benutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung einen vierten einstellbaren Strompfad auf. Dieser vierte Strompfad umfasst einen zweiten Gleichspannungswandler, der mittels eines Anschlusses für einen Gleichspannungswandler mit dem Anschluss für eine Kapazität verbunden ist. Der vierte Strompfad koppelt den Anschluss für einen Gleichspannungswandler mit dem Anschluss für ein Leuchtmittel.
Um die auf der Kapazität speicherbare Ladespannung besonders effizient nutzen zu können, kann mit Hilfe des vierten einstellbaren Strompfades die Kapazität zusätzlich zum Entladen gemäß der Kapazitätsstromstärke mit einer weiteren Hilfsstromstärke gemäß des zweiten Gleichspannungswandlers entladen werden. Dies geschieht bevorzugt in Art eines Aufwärts-Abwärts-Wandlers. Auf diese Weise ist es möglich, die Kapazität oder den Superkondensator selbst in noch kleinerem Baumaß zu realisieren.
Alternativ oder ergänzend kann der zweite einstellbare Strompfad den zweiten Gleichspannungswandler aufweisen und der Anschluss für eine Kapazität den Anschluss für einen Gleichrichter umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform weisen der erste, zweite, dritte und vierte Strompfad jeweils steuerbare Schalter auf. Auf diese Weise ist es möglich an den Strompfaden zwischen einer mit Null identischen Stromstärke oder einem beispielsweise vom ersten Gleichspannungswandler abhängigen Wert einzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform weisen der erste, zweite, dritte und vierte Strompfad jeweils steuerbare Stromquellen auf. Auf diese Weise ist es möglich an den Strompfaden Stromstärken wie die Lade-, Kapazitäts- oder Direktstromstärke flexibel mit unterschiedlichen Werten einzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kontrolleinheit dazu eingerichtet, in einem zweiten Betriebsmodus die Direktstromstärke lediglich mittels des dritten Strompfades einzustellen.
Dazu stellt die Kontrolleinheit in Abhängigkeit des Kontrollsignals den ersten und zweiten Strompfad so ein, dass die Lade- und Kapazitätstromstärke identisch Null sind. Mit anderen wird die Direktstromstärke zum Betreiben des Leuchtmittels direkt der Batterie entnommen.
Dies hat den Vorteil, dass die Batteriespannung direkt zum Betreiben des Leuchtmittels verwendet werden kann ohne die Kapazität beziehungsweise Superkondensator zu belasten. In einem Multimediagerät, in dem die Schaltungsanordnung verbaut wird, kann so beispielsweise eine Taschenlampenfunktion umgesetzt werden, die unmittelbar aktiviert werden kann. Dies ist auch als Torch-Funktion bekannt.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmittels, insbesondere einer Leuchtdiode, zunächst ein Einstellen von Stromstärken. Eine Batteriespannung dient zum Einstellen je einer Stromstärke an einem ersten, zweiten und dritten einstellbaren Strompfad. In der Folge wird in einem Lademodus eine Kapazität mittels des ersten einstellbaren Strompfads auf eine Ladespannung aufgeladen. Schließlich wird das Leuchtmittel mittels des zweiten und dritten einstellbaren Strompfads in einem ersten Betriebsmodus betrieben. Während des ersten Betriebsmodus wird die Kapazität entsprechend der eingestellten Kapazitätsstromstärke entladen, um beispielsweise das Leuchtmittel als Blitz zu verwenden.
Das vorgeschlagene Verfahren hat den Vorteil, dass neben der auf der Kapazität gespeicherten Ladespannung auch auf gewissermaßen direkte Weise zusätzlich die Batteriespannung und eine entsprechend eingestellte Stromstärke zum Betrieb des Leuchtmittels verwendet werden kann. Aufgrund dieser zweifachen Stromversorgung ist die Schaltungsanordnung besonders effizient. Dies hat den Vorteil, dass die verwendete Kapazität, bevorzugt ein Superkondensator, kleiner und kompakter gewählt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei geforderter kompakter Bauweise den Betrieb des Leuchtmittels zu ermöglichen. Durch die kleinere Baugröße der Kapazität ergeben sich weiterhin Kosteneinsparungen.
In einer weiteren Ausführungsform wird im Lademodus am ersten Strompfad in Abhängigkeit der Batteriespannung eine Ladestromstärke eingestellt. Im ersten Betriebsmodus wird am zweiten Strompfad eine Kapazitätsstromstärke in Abhängigkeit der Ladespannung und am dritten Strompfad eine Direktstromstärke in Abhängigkeit der Batteriespannung eingestellt.
Die Ladestromstärke definiert, wie die Kapazität aufgeladen wird und damit die Höhe der Ladespannung. Dieses wird bevorzugt separat von den anderen verbleibenden Strompfaden durchgeführt. Im ersten Betriebsmodus hingegen werden sowohl die Kapazitätsstromstärke und die Direktstromstärke eingestellt. Der Superkondensator oder die Kapazität wird in der Höhe der einstellbaren Kapazitätsstromstärke direkt entladen. Die Direktstromstärkre wird direkt auf das Leuchtmittel geführt und dabei in der Höhe durch die Direktstromstärke definiert.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Ladestromstärke lediglich im Lademodus eine von Null verschiedene Stromstärke aufweisen. Die Kapazitätsstromstärke und Direktstromstärke weisen im ersten Betriebsmodus eine von Null verschiedene Stromstärke auf.
Auf diese Weise wird nur während des Lademodus die Kapazität aufgeladen. Im bevorzugt zeitlich folgenden ersten Betriebsmodus werden lediglich die Kapazitätsstromstärke und Direktstromstärke jeweils eine von Null verschiedene Stromstärke aufweisen. Dabei werden die Kapazitätsstromstärke und Direktstromstärke bevorzugt gleichzeitig eingestellt.
Aufgrund der vorgestellten Trennung zwischen Lademodus und erstem Betriebsmodus werden also eine Ladephase und eine erste Betriebsphase definiert. Diese Phasen können beispielsweise durch das Kontrollsignal an der Kontrolleinheit initiiert werden. Bevorzugt wird im ersten Betriebsmodus das Leuchtmittel nach Art eines Blitzes ausgelöst.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird in einem zweiten Betriebsmodus die Direktstromstärke lediglich mittels des dritten Strompfades eingestellt.
Im zweiten Betriebsmodus wird das Leuchtmittel gewissermaßen direkt betrieben, indem es nur durch die Batterie und nicht zusätzlich über den Weg der Kapazität mit seiner Ladespannung gespeist wird. Auf diese Weise kann das Leuchtmittel als Taschenlampe oder sogenanntes „Torch-Light“ benutzt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird im ersten Betriebsmodus mittels eines vierten einstellbaren Strompfades in Abhängigkeit der Ladespannung eine Hilfsstromstärke eingestellt. Diese Hilfsstromstärke wird sowohl der Direktstromstärke wie der Kapazitätsstromstärke zum Betreiben des Leuchtmittels überlagert.
Während des ersten Betriebsmodus wird die Kapazität entsprechend der eingestellten Kapazitätsstromstärke entladen, um beispielsweise das Leuchtmittel als Blitz zu verwenden. Auf dem Wege des zweiten einstellbaren Strompfads verbleibt jedoch in der Regel eine Restladung auf der Kapazität. Mittels des vierten einstellbaren Strompfades ist es möglich auch die Restladung zu nutzen. Dazu umfasst der vierte einstellbare Strompfades bevorzugt einen zweiten Gleichspannungswandler, beispielsweise nach Art eines Aufwärtswandlers.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Insoweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen:

1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtmittels nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
2A, 2B eine beispielhafte Ausführungsform der Schaltungsanordnung in einem Lademodus und einem ersten Betriebsmodus nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
3 eine beispielhafte Ausführungsform der Schaltungsanordnung in einem zweiten Betriebsmodus nach dem vorgeschlagenen Prinzip
4 eine beispielhafte Ausführungsform der Schaltungsanordnung mit einem zweiten Gleichspannungsregler nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
5 eine weitere Schaltungsanordnung mit einem zweiten Gleichspannungsrichter DCDC_2 nach dem vorgeschlagenen Prinzip.

1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtmittels nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Schaltungsanordnung umfasst unterschiedliche Anschlüsse. Ein Anschluss für eine Batterie BAT_IN ist mit einer Batterie BAT verbunden und wird über eine zwischen die Batterie BAT und den Anschluss für eine Batterie BAT_IN gekoppelte Induktivität L mit einer Batteriespannung VBAT versorgt. Ein Anschluss für eine Kapazität CAP_IN dient zum Anschließen einer Kapazität CAP. Diese Kapazität CAP kann von verschiedenem Typ sein, bevorzugt ist es jedoch, dass die Kapazität CAP ein Superkondensator ist. Ein Anschluss zum Anschließen eines Leuchtmittels LED_OUT dient zum Anschließen eines Leuchtmittels insbesondere einer Leuchtdiode LED. Weitere Anschlussknoten N1, N2, N3, N4, N5 dienen zum Zuführen von Kontrollsignalen I_IN an eine digitale Kontrolleinheit DIG mit der sie verbunden sind. Die digitale Kontrolleinheit DIG stellt die Kontrollsignale I_IN an einem Eingang IN einer Kontrolleinheit CTRL zur Verfügung, die mit der digitalen Kontrolleinheit DIG verbunden ist.
Die Schaltungsanordnung umfasst mehrere einstellbare Strompfade. Ein erster Strompfad 1 verbindet den Anschluss für eine Batterie BAT_IN mit dem Anschluss für eine Kapazität CAP_IN. Dabei weist der einstellbare Strompfad 1 eine erste einstellbare Stromquelle I1 auf. Der zweite einstellbare Strompfad führt vom Anschluss für eine Kapazität CAP_IN auf den Anschluss für ein Leuchtmittel LED_OUT und umfasst eine zweite einstellbare Stromquelle I2. Der dritte einstellbare Strompfad verbindet den Anschluss für eine Batterie BAT_IN mit dem Anschluss für ein Leuchtmittel LED_OUT. Dabei weist auch der dritte einstellbare Strompfad 3 eine einstellbare Stromquelle I3 auf. Die einstellbaren Stromquellen I1, I2, I3 sind jeweils mit der Kontrolleinheit CTRL mittels Steuerleitungen verbunden und dienen dazu jeweils Stromstärken einzustellen, die in den entsprechenden Strompfaden 1, 2 ,3 fließen.
Zum Einspeisen eines Laststromes in die Schaltungsanordnung umfassen der erste und der dritte Strompfad 1, 3 einen ersten Gleichspannungswandler DCDC_1. Dieser ist steuerbar mit der Kontrolleinheit CTRL verbunden und verfügt über die externe Induktivität L. Dadurch ist es möglich, die Schaltungsanordnung in einem Chip zu integrieren. Alternativ kann die Schaltungsanordnung die Induktivität L umfassen.
Der erste Gleichspannungswandler DCDC_1 umfasst einen Laststromtransistor T1, der mittels seiner Lastseiten den Anschluss für eine Batterie BAT_IN mit den Anschlüssen für eine Kapazität CAP_IN und für das Leuchtmittel LED_OUT koppelt. Mittels seiner Steuerseite ist der Laststromtransistor T1 mit der Kontrolleinheit CTRL verbunden. Des Weiteren weist der erste Gleichspannungswandler DCDC_1 einen Ladestromtransistor T2 auf, wobei dieser Teil einer Reihenschaltung aus dem Anschluss für eine Batterie BAT_IN, dem Ladestromtransistor T2 mittels seiner Lastseiten, einer Messeinheit M und der Kontrolleinheit CTRL. Der Ladestromtransistor T2 ist zudem mittels einer Steuerseite mit der Kontrolleinheit CTRL verbunden.
In Abhängigkeit der Batteriespannung VBAT, die an den Anschluss für eine Batterie BAT_IN anliegt, wird ein Laststrom I0 in den ersten und dritten einstellbaren Strompfad 1, 3 eingespeist. Über den Ladestromtransistor T2 kann dabei der Laststrom I0 mittels der Kontrolleinheit CTRL eingestellt werden. Dazu ist die Messeinrichtung M eingerichtet den Laststrom zu erfassen. Dem ersten Gleichspannungswandler dient eine am Anschluss für eine Batterie anschließbare Induktivität als Energiespeicher.
Der erste Gleichspannungswandler in der vorgeschlagenen Ausführung erlaubt, dass die Notwendigkeit für eine zusätzliche Stromquelle oder alternativ ein Anschließen eines Widerstands auf Seiten der elektrischen Last wie des Leuchtmittels entfällt. Gewissermaßen entspricht der Gleichspannungswandler einer Stromquelle. Der Gleichspannungswandler kann zudem in Art eines Aufwärts-Abwärts-Wandlers benutzt werden.
Die Funktion der Schaltungsanordnung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 2A, 2B und 3 näher erläutert.
Die 2A zeigt die Schaltungsanordnung von 1 in einem Lademodus CHRG nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Im Lademodus ist nur der erste einstellbare Strompfad 1 aktiviert und mittels der Kontrolleinheit CTRL an der ersten Stromquelle I1 eine Ladestromstärke I_CHRG eingestellt. Mit dieser Stromstärke wird dann eine Kapazität CAP aufgeladen. Dieser Ladevorgang ist in der 2A als Pfeil gekennzeichnet.
2B zeigt einen Betrieb der Schaltungsanordnung von 1 mit einem ersten Betriebsmodus FLSH nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der erste Betriebsmodus wird in diesem Beispiel als Blitzmodus zum Auslösen der Leuchtdiode als Blitz verwendet. Dazu sind sowohl der zweite wie auch der dritte Strompfad 2, 3 aktiviert. Mittels der Kontrolleinheit CTRL wird am zweiten einstellbaren Strompfad an der zweiten Stromquelle I2 eine Kapazitätsstromstärke I_CAP eingestellt, während am dritten einstellbaren Strompfad 3 ein Direktstrom I_DIREKT eingestellt wird. Die Ladestromstärke I_CHRG ist in diesem Fall identisch Null gewählt.
Am Anschluss für ein Leuchtmittel LED_OUT überlagern sich Direktstrom I_DIREKT und Kapazitätsstromstärke I_CAP und werden der Leuchtdiode LED. Diese wird nach Art eines Blitzes für eine bestimmte Zeitdauer ausgelöst, wobei sich die Kapazität beziehungsweise der Superkondensator entsprechend seiner Ladespannung VCAP entlädt.
Auf diese Art und Weise werden sowohl die Batterie wie auch die auf der Kapazität gespeicherte Ladung zum Treiben der Leuchtdiode effektiv benutzt. Dabei wird die Batterie durch den ersten Gleichspannungswandler DCDC_1 genutzt, der beispielsweise als Aufwärtskonverter die Batteriespannung VBAT lediglich auf eine Summe aus einer Direktspannung V_DIRECT und Leuchtdiodenspannung V_LED konvertieren muss. Die Kapazität CAP beziehungsweise die der Ladespannung VCAP korrespondierende Ladung wird direkt über die zweite Stromquelle I2 des zweiten Strompfades 2 entladen. Dabei fällt die Direktspannung V_DIRECT über der dritten Stromquelle I3 des dritten Strompfades 3 ab. Die Leuchtdiodenspannung V_LED entspricht der am Anschluss für ein Leuchtmittel LED_OUT anliegenden Spannung.
Mit Hilfe zweifachen Stromversorgung der Leuchtdiode im ersten Betriebsmodus ist es möglich die Kapazität kleiner wählen, als dies für einen direkten Betrieb ohne den dritten Strompfad 3 möglich wäre. In einer typischen Anwendung ohne dritten Strompfad beträgt die Größe der Kapazität CAP bei einer Kapazitätsstromstärke von 5A etwa 18x20x3 mm³. Nach dem vorgeschlagenen Prinzip reduziert sich diese Größe auf 18x20x2 mm³, was einer Volumenreduktion von 30% entspricht. Dabei wird beispielsweise die Kapazitätsstromstärke I_CAP zu 3A und die Direktstromstärke zu 2A gewählt, was in der Summe wie oben 5A entspricht. Bei gleicher Gesamtstromstärke ist also eine deutlich kleinere Kapazität verwendbar. Da gerade Superkondensatoren umso teurer werden je größer sie sind, lassen sich bei einer kompakten Ausführung zusätzlich auch Kosten einsparen. Wird wie oben beschrieben eine Leuchtdiode zusammen mit einem Superkondensator als Blitz verwendet, so hat dies den Vorteil, dass diese Ausführungsform im Vergleich zu einem Xenon Blitz dünner implementiert werden kann. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung lässt sich dieser Vorteil also noch weiter ausbauen.
3 zeigt den Betrieb der Schaltungsanordnung in einem zweiten Betriebsmodus TORCH nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Neben der in der 2B vorgestellten Betriebsart im ersten Betriebsmodus ist der zweite Betriebsmodus möglich. Hier wird lediglich der dritte einstellbare Strompfad 3 mit der dritten Stromquelle I3 beziehungsweise die Direktstromstärke I_DIREKT verwendet.
Damit ist zum Beispiel möglich, das Leuchtmittel für eine bestimmte durch die Batterie begrenzte Zeit als „Taschenlampe“ (engl. Torch) oder ähnliches zu verwenden. Der Strom steht dabei unmittelbar zur Verfügung, weil nicht zunächst eine Kapazität geladen werden muss. Da bei Verwendung der Schaltungsanordnung für den zweiten Betriebsmodus keine weiteren Komponenten für die Taschenlampenfunktion implementiert werden müssen, trägt auch dies zu einer kompakten Ausführung bei.
4 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung mit einem zweiten Gleichspannungsrichter DCDC_2 nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Zusätzlich zu der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung verfügt diese beispielhafte Ausführungsform über einen Anschluss für einen Gleichrichter DCDC_IN und eine vierte Stromquelle I4. Ein vierter Strompfad 4 verbindet den Anschluss für einen Gleichrichter DCDC_IN mit dem Anschluss für ein Leuchtmittel LED_OUT.
Der zweite Gleichspannungsrichter DCDC_2 ist beispielsweise nach Art eines Aufwärtskonverters ausgeführt. Dazu umfasst er eine weitere Induktivität LB, die mit der Kapazität CAP und dem Anschluss für einen Gleichrichter DCDC_IN gekoppelt ist. Am zweiten Gleichrichter ist zudem eine weitere Kapazität CB angeschlossen. Mittels Schaltern ist der zweiten Gleichrichter DCDC_2 elektrisch mit dem Anschluss für ein Leuchtmittel LED_OUT verbindbar.
Mit Hilfe des zweiten Gleichrichters DCDC_2 ist es möglich, noch verbleibende Ladung auf der Kapazität CAP während des ersten Betriebsmodus beispielsweise durch Aufwärts-Konvertierung zu nutzen. Auf diese Weise kann auf effizientere Art und Weise die auf der Kapazität gespeicherte Ladung zum Betreiben des Leuchtmittels beziehungsweise der Leuchtdiode LED zu nutzen. Dazu können der zweite und vierte Strompfad 2, 4 getrennt voneinander oder gleichzeitig aktiviert werden.
5 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung mit einem zweiten Gleichspannungsrichter DCDC_2 nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Zusätzlich zu der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung verfügt diese beispielhafte Ausführungsform über den Anschluss für einen Gleichrichter DCDC_IN. Die zusätzliche vierte Stromquelle I4 wie in 4 ist jedoch nicht unbedingt vorgesehen. Vielmehr ist der zweite Strompfad 2 mit der zweiten Stromquelle derart ausgeführt, dass der Anschluss für eine Kapazität CAP_IN den Anschluss für einen Gleichrichter DCDC_IN umfasst und der zweite Strompfad 2 über den zweiten Gleichrichter DCDC_2 zum Anschluss für ein Leuchtmittel LED_OUT führt.
Am Anschluss für ein Leuchtmittel LED_OUT ist eine Reihenschaltung von Leuchtmitteln wie Leuchtdioden LED angeschlossen. Daher ist nur ein einzelner Anschluss LED_OUT notwendig.
Leuchtmittel wie Leuchtdioden LED verfügen über charakteristische Vorwärtspannungen, die wiederum von Prozessbedingungen und der Temperatur anhängig sein können. In den 1 bis 4 sind die verwendeten Leuchtmittel LED beispielhaft in Parallelschaltung angeschlossen. In diesem Fall kann es unter Umständen vorkommen, dass die Leuchtdiodenspannung V_LED aufgrund streuender Vorwärtspannungen der verwendeten Leuchtdioden nicht für jede der Leuchtdioden optimal ist. Der zweite Gleichspannungsrichter DCDC_2 führt nunmehr dazu, dass die Leuchtdiodenspannung V_LED effizient an die Vorwärtspannungen der verwendeten Leuchtdioden angepasst werden kann. Dies hat weiterhin zur Folge, dass die Schaltungsanordnung eine kleinere Baugröße aufweisen kann.
Bezugszeichenliste

1: erster einstellbarer Strompfad
2: zweiter einstellbarer Strompfad
3: dritter einstellbarer Strompfad
4: vierter einstellbarer Strompfad
BAT: Batterie
BAT_IN: Anschluss für eine Batterie
CAP: Kapazität
CAP_IN: Anschluss für eine Kapazität
CB: Kapazität
CTRL: Kontrolleinheit
DCDC_1: erster Gleichspannungswandler
DCDC_2: zweiter Gleichspannungswandler
DIG: digitale Kontrolleinheit
GND: Massenpotential
I0: Laststrom
I1: erste einstellbare Stromquelle
I2: zweite einstellbare Stromquelle
I3: dritte einstellbare Stromquelle
I4: vierte einstellbare Stromquelle
I_CAP: Kapazitätsstromstärke
I_CHRG: Ladestromstärke
I_DIRECT: Direktstromstärke
IN: Eingang
I_in: Kontrollsignal
L: Induktivität
LB: Induktivität
LED: Leuchtdiode
LED_OUT: Anschluss für eine Leuchtdiode
M: Messeinrichtung
N1: Anschlussknoten
N2: Anschlussknoten
N3: Anschlussknoten
N4: Anschlussknoten
N5: Anschlussknoten
NTC: Anschluss für ein Thermoelement
T1: Lasttransistor
T2: Ladetransistor
VBAT: Batteriespannung
VCAP: Ladespannung

Claims

Schaltungsanordnung zum Treiben eines Leuchtmittels, umfassend: - einen ersten einstellbaren Strompfad (1) zum Laden einer anschließbaren Kapazität, der einen Anschluss für eine Batterie (BAT_IN) mit einem Anschluss für eine Kapazität (CAP_IN) verbindet, - einen zweiten einstellbaren Strompfad (2) zum Versorgen des Leuchtmittels, der den Anschluss für eine Kapazität (CAP_IN) mit einem Anschluss für ein Leuchtmittel (LED_OUT) verbindet, - einen dritten einstellbaren Strompfad (3) zum Versorgen des Leuchtmittels, der den Anschluss für eine Batterie (BAT_IN) mit dem Anschluss für ein Leuchtmittel (LED_OUT) verbindet und - eine Kontrolleinheit (CTRL), die einen Kontrolleingang (IN) aufweist und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von am Kontrolleingang (IN) anlegbaren Kontrollsignalen (I_in) jeweils Stromstärken (I_CHRG, I_CAP, I_DIRECT) am ersten, zweiten und dritten Strompfad (1, 2, 3) einzustellen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Kontrolleinheit (CTRL) - in einem Lademodus (CHRG) eine Ladestromstärke (I_CHRG) am ersten Strompfad (1) einstellt und - in einem ersten Betriebsmodus (FLSH) am zweiten Strompfad (2) eine Kapazitätsstromstärke (I_CAP) und am dritten Strompfad (3) eine Direktstromstärke (I_DIRECT) einstellt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kontrolleinheit eingerichtet ist, derart zwischen Lademodus (CHRG) und erstem Betriebsmodus (FLSH) zu schalten, dass - die Ladestromstärke (I_CHRG) lediglich im Lademodus eine von Null verschiedene Stromstärke aufweist, und - die Kapazitätsstromstärke (I_CAP) und Direktstromstärke (I_DIRECT) lediglich im ersten Betriebsmodus (FLSH) eine von Null verschiedene Stromstärke aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die einen ersten Gleichspannungswandler (DCDC_1) aufweist, der - so mit dem Anschluss für eine Batterie (BAT_IN) gekoppelt ist, dass der erste und dritte einstellbare Strompfad (1, 3) den ersten Gleichspannungswandler (DCDC_1) umfassen, und - der mittels einer Steuerleitung mit der Kontrolleinheit (CTRL) steuerbar verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei der erste Gleichspannungswandler (DCDC_1) - einen Laststromtransistor (T1) aufweist, der mittels seiner Lastseite den Anschluss für eine Batterie (BAT_IN) mit den Anschlüssen für eine Kapazität (CAP_IN) und für ein Leuchtmittel (LED_OUT) koppelt und mittels seiner Steuerseite mit der Kontrolleinheit (CTRL) verbunden ist und - einen Ladestromtransistor (T2) aufweist, wobei der Anschluss für eine Batterie (BAT_IN) mittels seiner Lastseite in Reihe geschaltet mit einer Ladestrommesseinheit (M) und mit der Kontrolleinheit (CTRL) und der Ladestromtransistor (T2) mittels seiner Steuerseite mit der Kontrolleinheit (CTRL) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die einen vierten einstellbaren Strompfad (4) aufweist, der - einen zweiten Gleichspannungswandler (DCDC_2) aufweist, der mittels eines Anschlusses für einen Gleichspannungswandler (DCDC_IN) mit dem Anschluss für eine Kapazität (CAP_IN) verbindbar ist und - der den Anschluss für einen Gleichspannungswandler (DCDC_IN) mit dem Anschluss für ein Leuchtmittel (LED_OUT) koppelt oder - der zweite einstellbare Strompfad (2) den zweiten Gleichspannungswandler (DCDC_2) aufweist und der Anschluss für eine Kapazität (CAP_IN) den Anschluss für einen Gleichrichter (DCDC_IN) umfasst.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der erste, zweite, dritte und vierte Strompfad (1, 2, 3, 4) jeweils steuerbare Schalter aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der erste, zweite, dritte und vierte Strompfad (1, 2, 3, 4) jeweils steuerbare Stromquellen (I1, I2, I3) aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der die Kontrolleinheit (CTRL) in einem zweiten Betriebsmodus (TRCH) die Direktstromstärke (I_DIRECT) lediglich mittels des dritten Strompfads (3) einstellt.
Verfahren zum Treiben eines Leuchtmittels, umfassend: - Einstellen einer Stromstärke (I_CHRG, I_CAP, I_DIRECT) an einem ersten, zweiten und dritten einstellbaren Strompfad (1, 2, 3) in Abhängigkeit einer Batteriespannung (VBAT), - Aufladen einer Kapazität (CAP)auf eine Ladespannung (VCAP) in einem Lademodus (CHRG) mittels des ersten einstellbaren Strompfads (1), und - Betreiben des Leuchtmittels (LED) in einem ersten Betriebsmodus (FLSH) gleichzeitig mittels des zweiten und dritten einstellbaren Strompfads (2, 3).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei - im Lademodus (CHRG) am ersten Strompfad (1) in Abhängigkeit der Batteriespannung (VBAT) eine Ladestromstärke (I_CHRG) eingestellt wird und - im ersten Betriebsmodus (FLSH) am zweiten Strompfad (2) eine Kapazitätsstromstärke (I_CAP) in Abhängigkeit der Ladespannung (Vcap) und am dritten Strompfad (3) eine Direktstromstärke (I_DIRECT) in Abhängigkeit der Batteriespannung (VBAT) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei - die Ladestromstärke (I_CHRG) lediglich im Lademodus eine von Null verschiedene Stromstärke aufweist, und - die Kapazitätsstromstärke (I_CAP) und Direktstromstärke (I_DIRECT) lediglich im ersten Betriebsmodus (FLSH) eine von Null verschiedene Stromstärke aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in einem zweiten Betriebsmodus (TRCH) die Direktstromstärke (I_DIRECT) lediglich mittels des dritten Strompfads (3) einstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei im ersten Betriebsmodus (FLSH) mittels eines vierten Strompfads (4) in Abhängigkeit der Ladespannung (VCAP) eine Hilfsstromstärke (I_BOOST) eingestellt und sowohl der Direktstromstärke (I_DIRECT) wie der Kapazitätsstromstärke (I_CAP) zum Betreiben des Leuchtmittels (LED) überlagert wird.