DE102011085923B4

DE102011085923B4 - Lampe und Controller für den Antrieb von LED-Lichtquellen

Info

Publication number: DE102011085923B4
Application number: DE102011085923.3A
Authority: DE
Inventors: Ching-Chuan Kuo; Sheng-Tai Lee; Yung Lin LIN
Original assignee: O2Micro Inc
Current assignee: O2Micro Inc
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: CN102548123A; US9030121B2; CN102548123B; BRPI1105514A2; US20120126710A1; JP2012114440A; DE102011085923A1; TWI461106B; TW201223337A

Abstract

Lampe, umfassend: einen Gleichrichter (204) zum Richten einer AC-Spannung (VAC) in eine gleichgerichtete AC-Spannung (VREC); eine LED-Lichtquelle (210), wobei ein Anschluss der LED-Lichtquelle (210) die gleichgerichtete AC-Spannung (VREC) aufnimmt; und und einen mit der LED-Lichtquelle (210) in Reihe geschalteten Schalter (Q1) zur Steuerung eines durch die LED-Lichtquelle (210) fließenden Stroms (IO) gemäß einer vorgegebenen Stromreferenz, wobei der Schalter (Q1) linear gesteuert wird, wobei die LED-Lichtquelle (210) angeschaltet und geregelt wird, wenn ein die gleichgerichtete AC-Spannung (VREC) angebendes Signal (V1) höher als eine DC-Spannung (VDC) ist, und wobei die LED-Lichtquelle (210) abgeschaltet wird, wenn das die gleichgerichtete AC-Spannung angebende Signal (V1) niedriger als die DC-Spannung (VDC) ist.

Description

HINTERGRUND
Leuchtdioden (LEDs) sind für viele Anwendungen geeignet, zum Beispiel für Allgemeinbeleuchtung. LEDs haben gegenüber traditionellen Lichtquellen wie Leuchtstofflampen und Glühlampen einige Vorteile. Zum Beispiel ist der Energieverbrauch von LEDs bedeutend niedriger. Anders als traditionelle Lichtquellen wie beispielsweise Glühbirnen, bei denen Leuchtdrähte aus Metall durch elektrischen Strom in bedeutender Höhe auf eine für die Lichterzeugung ausreichende Temperatur erwärmt werden, erzeugen LEDs praktisch keine Wärme und nutzen nur einen Bruchteil der Energie, um eine äquivalente Beleuchtungsstärke zu produzieren. Bei Anwendung in einer Glühlampe verbraucht eine LED-Lichtquelle weniger als 7 Watt, um denselben Helligkeitsbetrag zu erzielen, der mit einer ca. 60 Watt Glühlampe als Lichtquelle erzielt wird.
Ferner lässt sich die Betriebsdauer einer LED auf über 50.000 Stunden ausdehnen und ist somit bedeutend länger als die durchschnittliche Betriebsdauer einer Glühlampe von beispielsweise 5.000 Stunden und die durchschnittliche Betriebsdauer einer Leuchtstofflampe von beispielsweise 15.000 Stunden. LEDs enthalten außerdem kein Quecksilber oder andere gefährliche Materialien oder Chemikalien und geben anders als Glühlampen oder Leuchtstofflampen null ultraviolette (UV) Strahlung ab. Die Verwendung von LEDs ist umweltfreundlich und energiesparend.
Üblicherweise wandelt ein AC/DC-Wandler eine AC-Spannung in eine nennenswerte DC-Spannung um, um die LEDs mit Energie zu versorgen. 1 zeigt eine typische Antriebsschaltung 100 für den Antrieb einer Lichtquelle, zum Beispiels eines LED-Feldes 108. Die Antriebsschaltung 100 enthält einen Brückengleichrichter 104 zum Richten der AC-Spannung in eine gleichgerichtete AC-Spannung und einen relativ groß bemessenen elektrolytischen Kondensator Cbulk, der zum Filtern der gleichgerichteten AC-Spannung mit dem Brückengleichrichter 104 gekoppelt ist, um eine im Wesentlichen konstante DC-Spannung VIN bereitzustellen.
Die Antriebsschaltung 100 enthält ferner einen Schaltmodus-DC/DC-Wandler 122, der die DC-Spannung VIN in eine DC-Spannung VOUT über einem Kondensator 116 umwandelt, um das LED-Feld 108 mit Energie zu versorgen. Im Betriebszustand erzeugt ein Controller 118 ein AN/AUS-Signal, um einen Schalter 106 alternierend vollständig zu aktivieren und zu deaktivieren, um die Leistung für das LED-Feld 108 zu steuern. Das Aktivieren und Deaktivieren des Schalters erzeugt jedoch elektromagnetische Störgeräusche (EMI-Geräusche), so dass zur Geräuschunterdrückung auf der Stromleitung ein EMI-Filter 130 benötigt wird. Darüber hinaus enthält der Schaltmodus-DC/DC-Wandler 122 normalerweise Elemente wie eine Induktivität 112 und einen Kondensator 116 für eine Energiespeicher- und/oder Filterfunktion. Solche Elemente sind ebenfalls relativ groß und schwierig in handelsüblichen Beleuchtungskörpern wie E12, E14, E17 LED-Kolben oder T-5 und T-8 LED-Leuchtröhren einzusetzen.
Eine bekannte Antriebsschaltung für eine Lichtquelle ist in dem Dokument US 7,960,922 B2 offenbart. Die Antriebsschaltung wird mit einer AC-Spannung versorgt und umfasst einen Gleichrichter zur Ausgabe einer DC-Spannung an die Lichtquelle, wobei die Antriebsschaltung darüber hinaus eine Regeleinheit aufweist, die mit der Lichtquelle in Reihe geschaltet ist und die den durch die Lichtquelle fließenden Strom gemäß einer vorgegebenen Stromreferenz regelt. Darüber hinaus ist in dem Dokument US 7,940,014 B2 eine Antriebsschaltung für eine Lichtquelle offenbart, die einen konstanten Stromfluss durch die Lichtquelle gewährleistet und den Stromfluss durch Vorgabe einer Referenzspannung begrenzt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schalten einer LED-Lichtquelle zu ermöglichen, mit dem die beschriebenen, im Stand der Technik auftretenden Probleme zumindest teilweise behoben werden. Als Lösung dieser der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe gibt die Erfindung eine Lampe und einen Controller zum Antrieb einer)LED-Lichtquelle an. Gemäß der Erfindung enthält eine Lampe einen Gleichrichter zum Richten einer AC-Spannung in eine gleichgerichtete AC-Spannung, eine LED-Lichtquelle und einen mit der LED-Lichtquelle in Reihe geschalteten Schalter, der einen durch die LED-Lichtquelle fließenden Strom gemäß einer vorgegebenen Stromreferenz steuert. Die LED-Lichtquelle und der in Reihe geschaltete Schalter erhalten die gleichgerichtete AC-Spannung, während der Schalter linear gesteuert wird. Dabei wird die LED-Lichtquelle angeschaltet und geregelt, wenn ein die gleichgerichtete AC-Spannung angebendes Signal höher als eine DC-Spannung ist, und abgeschaltet, wenn das die gleichgerichtete AC-Spannung angebende Signal niedriger als die DC-Spannung ist
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile des beanspruchten Gegenstands ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Elementen mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine übliche Antriebsschaltung für den Antrieb einer Lichtquelle;
2 eine Antriebsschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Beispiel einer gleichgerichteten AC-Spannung V_REC gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 das Verhältnis zwischen der System-Leistungseffizienz und einem Leitungswinkel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 das Verhältnis zwischen einem System-Leistungsfaktor und einem Leitungswinkel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine Antriebsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ein Beispiel einer gleichgerichteten AC-Spannung V_REC1 und einer gleichgerichteten AC-Spannung V_REC2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILBESCHREIBUNG
Es wird nunmehr im Detail auf die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit diesen Ausführungsformen beschrieben wird, versteht sich, dass diese Ausführungsformen nicht als Einschränkung der Erfindung gedacht sind. Vielmehr kann die Erfindung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfassen, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der in den anliegenden Ansprüchen definiert ist.
Ferner enthält die nachstehende Detailbeschreibung der vorliegenden Erfindung zahlreiche spezielle Details, die zum besseren Verständnis der Erfindung beitragen, wobei der Durchschnittsfachmann jedoch erkennen wird, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese speziellen Details ausgeführt werden kann. Hingegen werden bekannte Verfahren, Vorgehensweisen, Komponenten und Schaltungen nicht detailliert erläutert, um Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht unnötig zu verunklaren.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schlagen Schaltungen und Verfahren zum Antrieb von einer oder mehreren Lichtquellen wie beispielsweise einer Leuchtdioden-(LED)-Lichtquelle vor. Die Schaltungen und die Verfahren gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise in Beleuchtungskörpern verwendet werden, unter anderem in E12, E14, E17 Leuchtkolben oder in T-5 und T-8 Röhren. In einer Ausführungsform enthalten die Schaltungen einen AC/DC-Linearwandler. In vorteilhafter Weise kann der AC/DC-Linearwandler gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine relativ hohe Leistungseffizienz sowie einen relativ hohen Leistungsfaktor erzielen. In einer Ausführungsform kann der AC/DC-Linearwandler auf einer Leiterplatte (PCB) montiert sein, die mit einer Dicke von beispielsweise weniger als 0,6 mm relativ dünn ist und damit leichter in Beleuchtungskörpern wie E12, E14, E17 Leuchtkolben oder T-5 und T-8 Röhren eingesetzt werden kann. Darüber hinaus erzeugt der AC/DC-Linearwandler gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu konventionellen AC/DC-Wandlern, die mit einem Schaltmodus-DC/DC-Wandler zusammenwirken, keine elektromagnetischen Störgeräusche (EMI-Geräusche) und benötigt aus diesem Grund keine EMI-Filter. Zudem können sperrige Schaltungskomponenten wie beispielsweise Induktionsspulen in herkömmlichen Schaltmodus-DC/DC-Wandlern entfallen. Die Schaltungen und die Verfahren für den Antrieb von einer oder mehreren Lichtquelle gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzielen somit eine verbesserte Effizienz bei geringeren Kosten.
2 zeigt eine Antriebsschaltung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dem Beispiel von 2 enthält die Antriebsschaltung 200 einen AC/DC-Linearwandler 240 für die Aufnahme einer AC-Spannung und zur Steuerung eines durch eine Lichtquelle fließenden Stroms. Zu Darstellungszwecken enthält die Lichtquelle in 2 ein LED-Feld 210 mit einer Vielzahl von LED-Strings. Die Lichtquelle kann auch anderen Arten von Lichtquellen entsprechen. In dem Beispiel von 2 umfasst der AC/DC-Linearwandler 240 einen Gleichrichter (z. B. einen Brückengleichrichter) zum Richten der AC-Spannung V_AC in eine gleichgerichtete AC-Spannung V_REC, einen Schalter Q1, der zur Steuerung eines durch das LED-Feld 210 fließenden Stroms gemäß einer vorgegebenen Stromreferenz mit dem LED-Feld 210 in Reihe geschaltet ist, eine Steuerschaltung (z. B. einen Operationsverstärker 206) zum linearen Steuern des Schalters Q1 und einen Stromsensor (z. B. einen Abfühlwiderstand R_SET) zum Abfühlen des durch die Lichtquelle fließenden Stroms und zum Liefern eines Abfühlsignals 220 an die Steuerschaltung. In einer Ausführungsform ist der Schalter Q1 ein Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
3 zeigt ein Beispiel der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC während der Zeitspanne 0 bis 2π der V_AC und wird im Zusammenhang mit 2 erläutert. In einer Ausführungsform ist die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC ein periodisches Spannungssignal. Die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC hat eine Spitzenspannung V_P. Die Vorwärtsspannung V_O des LED-Feldes 210 überschneidet sich mit der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC. Das LED-Feld 210 wird mit seiner Nennleistung angeschaltet, wenn die Spannung über dem LED-Feld 210 höher ist als die Vorwärtsspannung V_O des LED-Feldes 210. Genauer gesagt wird das LED-Feld 210 in dem Beispiel von 3 mit seiner Nennleistung angeschaltet und wird geregelt, wenn die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC höher ist als die Vorwärtsspannung V_O des LED-Feldes 210. In einer Ausführungsform ist der Spannungsabfall über dem Abfühlwiderstand R_SET relativ gering und kann ignoriert werden.
Mithin wird das LED-Feld 210 im Betriebszustand abhängig von dem Pegel der gerichteten AC-Spannung V_REC angeschaltet und geregelt. Wenn bei angeschaltetem LED-Feld 210 zum Beispiel die gleichgerichtete AC-Spannung ^VREC höher ist als die Vorwärtsspannung V_O des LED-Feldes 210, steuert die Steuerschaltung den Schalter Q1 linear, indem ein Abfühlsignal 220, das den durch das LED-Feld 210 fließenden Strom angibt, mit einem Referenzsignal ADJ, das eine vorgegebene Stromreferenz angibt, verglichen wird, so dass der durch das LED-Feld 210 fließende Strom auf eine vorgegebene Stromreferenz eingestellt wird. Zum Beispiel vergleicht der Operationsverstärker 206 das Abfühlsignal 220 mit dem Referenzsignal ADJ und erzeugt ein Fehlersignal, um den Schalter Q1 linear zu steuern. Ein Stromsensor, z. B. ein Abfühlwiderstand R_SET, ist mit dem LED-Feld 210 in Reihe geschaltet und liefert das Abfühlsignal 220.
In dem Beispiel von 3 ist die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC ein Halbwellen-Sinusspannungssignal, wobei die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC jedoch nicht auf dieses Beispiel in 3 beschränkt ist. Die gleichgerichtete AC-Spannung kann in Form von anderen periodischen Signalen vorliegen, solange die Vorwärtsspannung V_O der Lichtquelle, z. B. des LED-Feldes 210, sich mit der gleichgerichteten Spannung überschneidet, in der Annahme, dass der Spannungsabfall über dem Abfühlwiderstand R_SET ignoriert werden kann. Die gleichgerichtete AC-Spannung hat somit eine Spitzenspannung V_P, die höher ist als die Vorwärtsspannung V_O der Lichtquelle, und eine Talspannung, die niedriger ist als die Vorwärtsspannung V_O der Lichtquelle.
In einer Ausführungsform kann der Strom I_O, der durch das LED-Feld 210 fließt, angegeben werden durch: I_O = ADJ/R_SET (1)
Dabei ist ADJ der Spannungspegel des Referenzsignals ADJ und R_SET der Widerstand des Abfühlwiderstands R_SET. Die Vorwärtsspannung V_O des LED-Feldes 210 kann angegeben werden durch: V_O = V_P × Sinθ (2)
Dabei ist V_P die Spitzenspannung der gerichteten AC-Spannung V_REC und θ der Leitungswinkel, unter dem die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC im Wesentlichen gleich der Vorwärtsspannung V_O des LED-Feldes 210 ist. In einer Ausführungsform bedeutet ”im Wesentlichen gleich”, dass sich bei dem Leitungswinkel θ die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC aufgrund des Spannungsabfalls über dem Schalter Q1 und dem Abfühlwiderstand R_SET und aufgrund der Nichtidealität der Schaltungskomponenten in praktischen Anwendungen geringfügig von der Vorwärtsspannung V_O unterscheiden kann.
Deshalb kann die durchschnittliche Eingangsleistung P_in während der Zeitspanne 0 bis π angegeben werden durch:
Die Ausgangsleistung P_out des LED-Feldes 210 während der Zeitspanne 0 bis π kann angegeben werden durch:
Gemäß den Gleichungen (3) und (4) kann die Leistungseffizienz η des AC/DC-Linearwandlers 240 berechnet werden durch:
Zudem lässt sich die Gesamtverlustleistung P_loss zum Beispiel an dem Schalter Q1 und an dem Abfühlwiderstand R_SET während der Zeitspanne 0 bis π ermitteln durch: P_loss = P_in – P_out = [(1/η) – 1]P_out. (6)
Gemäß Gleichung (5) ist das Verhältnis zwischen der Leistungseffizienz η und dem Leitungswinkel θ in dem Beispiel von 4 gezeigt.
Gemäß einer gegebenen Leistungseffizienz η lässt sich der Leitungswinkel θ somit auf der Basis von Gleichung (5) ermitteln. Wenn die Spitzenspannung V_P der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC bekannt ist, kann die Vorwärtsspannung V_O gemäß Gleichung (2) berechnet werden. So kann für die Ausführung einer Lampe mit einer vorgegebenen Ausgangsleistung von beispielsweise P_out = 5 W der durch das LED-Feld 210 fließende Strom I_O gemäß Gleichung (4) berechnet werden. Somit lässt sich die zur Erzeugung einer Ausgangsleistung von 5 W benötigte Anzahl von LEDs berechnen, wenn der Nennstrom einer LED bekannt ist.
Um beispielsweise eine LED-Lampe für eine Ausgangsleistung P_out von 5 Watt und eine Leistungseffizienz η von 80% auszulegen, wenn die Wechselstromquelle 202 angenommen ein 60 Hz 110 V AC-Spannung V_AC1 erzeugt und die Spitzenspannung V_P der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC 155 V beträgt, ist der Leitungswinkel θ gemäß Gleichung (5) etwa 0,81 (46,43 Grad). Gemäß Gleichung (2) kann die Vorwärtsspannung V_O angegeben werden mit: 155·sin(0,81) ≈ 112 V. Gemäß Gleichung (4) beträgt der Strom I_O etwa 92 mA. Wenn eine LED angenommen eine Vorwärtsspannung von 3,2 V hat, kann die Anzahl von LEDs in jedem LED-String des LED-Feldes 210 angegeben werden mit: 112 V/3,2 V = 35. Wenn eine LED einen Nennstrom von 20 mA hat, kann das LED-Feld 210 5 LED-Strings und jeder LED-String wiederum 35 LEDs umfassen. Die Verlustleistung P_loss beispielsweise an dem Leistungsschalter Q1 und an dem Abfühlwiderstand R_SEN beträgt: P_loss = P_in – P_out = [(1/η) – 1]P_out = 1,25 W.
Ferner lässt sich der Leistungsfaktor PF des Systems berechnen durch:
wobei P_in die durchschnittliche Eingangsleistung angibt, die gemäß Gleichung (3) erzielbar ist, V_rms den Effektivwert der Eingangsspannung V_REC und I_rms den Effektivwert des Eingangsstroms in das LED-Feld 210. V_rms und I_rms können angegeben werden durch:
Deshalb lässt sich der Leistungsfaktor PF ermitteln durch:
5 zeigt das Verhältnis zwischen dem Leistungsfaktor PF und dem Leitungswinkel θ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in den 4 und 5 dargestellt ist, kann die Antriebsschaltung in vorteilhafter Weise eine relativ hohe Leistungseffizienz η und auch einen relativ hohen Leistungsfaktor PF erzielen, indem ein geeigneter Leitungswinkel θ gewählt wird. Wenn zum Beispiel der Leitungswinkel θ 0,81 beträgt, beträgt die Leistungseffizienz η etwa 80%, und der Leistungsfaktor PF liegt bei etwa 0,89. Darüber hinaus kann die Antriebsschaltung einen relativ hohen Leistungsfaktor ohne eine zusätzliche Leistungsfaktor-Korrekturschaltung erzielen, die gegebenenfalls Spulen, Leistungsschalter und Steuerschaltungen umfasst.
In einer Ausführungsform bilden der Schalter Q1 und der Operationsverstärker 206 einen Controller und können in einer integrierten Schaltung 230 integriert sein. Darüber hinaus können der Gleichrichter 204, die integrierte Schaltung 230 und der Abfühlwiderstand R_SET auf einer Leiterplatte (PCB) montiert sein. Die Lichtquelle, zum Beispiel das in 2 gezeigte LED-Feld 210, kann in einer Ausführungsform auf einer separaten PCB montiert sein.
6 zeigt eine Antriebsschaltung 600 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Elemente, die die gleiche Kennzeichnung wie in 2 tragen, haben ähnliche Funktionen. Die Antriebsschaltung 600 umfasst einen AC/DC-Linearwandler 640, der ferner die Steuerschaltung für die Steuerung des Schalters Q1 enthält. In einer Ausführungsform wird die LED-Lichtquelle angeschaltet und geregelt, wenn ein Signal, das die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC angibt, höher ist als eine DC-Spannung, und die LED-Lichtquelle wird abgeschaltet, wenn das Signal, das die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC angibt, niedriger ist als die DC-Spannung.
Insbesondere steuert der Ausgang des Operationsverstärkers 206 den Schalter Q1 linear, wenn ein Signal V₁, das die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC angibt, höher ist als eine DC-Spannung V_DC. In einer Ausführungsform wird der Ausgang des Operationsverstärkers 206 auf einer niedrigen Spannung gehalten, wodurch der Schalter Q1 deaktiviert wird, wenn das Signal V₁, das die gleichgerichtete Spannung V_REC angibt, niedriger ist als die DC-Spannung V_DC. In dem Beispiel von 6 umfasst der AC/DC-Linearwandler 640 ferner einen Komparator 610, der das Signal V₁ mit der DC-Spannung V_DC vergleicht, um einen mit dem Operationsverstärker 206 gekoppelten Schalter Q3 zu steuern. Das Signal V₁ ist proportional zu der gleichgerichteten Spannung V_REC. Zum Beispiel umfasst die Antriebsschaltung 600 einen Spannungsteiler mit Resistoren R1 und R2 für die Aufnahme der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC und zur Bereitstellung des Signals V₁. In einer Ausführungsform ist die DC-Spannung V_DC proportional zu dem Durchschnittspegel der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC. Zum Beispiel umfasst die Antriebsschaltung 600 einen Spannungsteiler mit Resistoren R3 und R4. Ein Durchschnitts-Filterkondensator C1 ist mit dem Widerstand R4 parallelgeschaltet. Somit ist die DC-Spannung V_DC in einer Ausführungsform proportional zu einem Durchschnittspegel der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC. Wenn die Spannung V₁ in der Ausführungsform höher ist als die DC-Spannung V_DC, deaktiviert der Komparator 610 den Schalter Q3, so dass der Ausgang des Operationsverstärkers 206 den Schalter Q1 linear steuert. Ist die Spannung V₁ niedriger als die DC-Spannung V_DC, aktiviert der Komparator 610 den Schalter Q3, so dass der Ausgang des Operationsverstärkers 206 geerdet und der Schalter Q1 somit deaktiviert wird. In vorteilhafter Weise ist die Antriebsschaltung 600 geeignet, das LED-Feld 210 derart zu steuern, dass dieses eine im Wesentlichen konstante Helligkeit erzeugt, selbst wenn die eingehende AC-Spannung V_AC schwankt.
7 zeigt ein Beispiel einer gleichgerichteten AC-Spannung V_REC1 und einer gleichgerichteten AC-Spannung V_REC2 während einer Zeitspanne 0 bis 2 und wird in Verbindung mit 6 beschrieben. In einer Ausführungsform sind die gleichgerichteten AC-Spannungen V_REC1 und V_REC2 periodische Spannungssignale, zum Beispiel Halbwellen-Sinusspannungssignale. Wenn die eingehende AC-Spannung V_AC beispielsweise von V_AC1 zu V_AC2 schwankt, variiert die gerichtete AC-Spannung entsprechend von V_REC1 zu V_REC2. Die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC1 hat einen Spitzenwert V_P1, und die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC2 hat einen Spitzenwert V_P2. Da die DC-Spannung V_DC proportional zu einem Durchschnittspegel der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC ist, variiert dementsprechend auch die DC-Spannung von V_DC1 zu V_DC2. Wie in dem Beispiel von 7 gezeigt ist, wird der Schalter Q3 in vorteilhafter Weise während 0~θ, (π – θ)~(n + θ) und (2π – θ)~2π aktiviert und während 0~(π – θ) und (π + θ)~(2π – θ) deaktiviert, ungeachtet dessen, ob die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC1 oder V_REC2 ist. Wenn in einer Ausführungsform der Schalter Q3 an ist, ist der Schalter Q1 aus, und wenn der Schalter Q3 aus ist, wird der Schalter Q1 linear gesteuert, um den durch das LED-Feld 210 fließenden Strom zu regeln, indem das Referenzsignal ADJ mit dem Abfühlsignal 220 verglichen wird. Mit anderen Worten: Selbst wenn die gerichtete AC-Spannung V_REC variiert, was durch die Schwankung der eingehenden AC-Spannung V_AC verursacht wird, ist der Schalter Q1 immer noch unter dem gleichem Leitungswinkel leitend, so dass die Helligkeit des LED-Feldes 210 im Wesentlichen konstant ist.
In dem Beispiel von 6 kann die DC-Spannung V_DC angegeben werden durch:
wobei R3 den Widerstand des Resistors R3 und R4 den Widerstand des Resistors R4 angibt. Die Spannungsteiler R3 und R4 sind zum Beispiel für eine integrierte Schaltungsbauweise geeignet gewählt, beispielsweise mit 2,0 V DC-Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators 610, z. B. V_DC = 2,0 V. Wenn die die Spitzenspannung V_P der gleichgerichteten AC-Spannung R_REC angenommen 155 V beträgt, können die proportionalen R3- und R4-Teiler wie folgt ermittelt werden:
In Kenntnis dessen, dass der Schalter Q1 an ist, wenn die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC höher ist als die Vorwärtsspannung V_O des LED-Feldes 210, ist die Spannung V₁ an dem invertierenden Eingang des Komparators 610 ein Bruchteil von V_REC, indem der Widerstandsteiler mit den Resistoren R₁ und R₂ entsprechend gewählt wird. Wenn angenommen die Vorwärtsspannung V_O des LED-Feldes 210 112 V und die Spitzenspannung V_P der gerichteten AC-Spannung V_REC 155 V beträgt, kann der proportionale R1- und R2-Teiler wie folgt ermittelt werden:
Es wird angenommen, dass sich die Spitzenspannung V_P der gerichteten AC-Spannung V_REC wegen der Variation der AC-Spannung V_AC von 155 V auf 180 V ändert. Gemäß Gleichung (11) ändert sich die DC-Spannung V_DC auf:
Gemäß Gleichung (2) gilt
Mithin gilt θ ≈ 0,81 (46,43 Grad), ist also der gleiche wie der Leitungswinkel bei einer Spitzenspannung V_P der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC von gleich 155 V. Somit wird durch die Aktivierung des Schalters Q1 unter dem gleichen Leitungswinkel θ die Helligkeit des LED-Feldes 210 auch dann im Wesentlichen konstant gehalten, wenn die die gleichgerichtete AC-Spannung V_REC variiert.
Es wird auf 2 Bezug genommen. Wenn sich die Spitzenspannung V_P der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC aufgrund der Variation der AC-Spannung V_AC von 155 V auf 180 V ändert, beträgt der Leitungswinkel θ gemäß der folgenden Gleichung etwa 0,67 (38,48 Grad): V_O = V_P × sinθ ⇒ 112 V = 180 V × sinθ ⇒ θ = 0,67. (15)
Somit kann bei Verwendung der Antriebsschaltung 200 in 2 die Ausgangsleistung P_out angegeben werden durch:
was darauf hinweist, dass die Helligkeit variiert, wenn sich die Spitzenspannung V_p der gleichgerichteten AC-Spannung V_REC aufgrund der Variation der AC-Spannung V_AC von 155 V auf 180 V ändert. Darüber hinaus kann die Verlustleistung ermittelt werden durch: P_loss = P_in – P_out = [(1/η) – 1]P_out = 2,35 Watt. (17)
Durch die Verwendung der Antriebsschaltung 600 in 6 wird die Leistungseffizienz noch weiter gefördert. Bei Verwendung der Antriebsschaltung 600 in 6 zum Beispiel beträgt der Leistungsverlust im Falle der gleichgerichteten Spannung V_REC2 mit einer Spitzenspannung von 180 V:
In einer Ausführungsform bilden die Schalter Q1 und Q3, der Operationsverstärker 206, der Komparator 610 und die Resistoren R1, R2, R3 und R4 einen Controller und können in eine integrierte Schaltung 630 integriert werden. In einer anderen Ausführungsform können die Resistoren R1 und/oder R3 im Hinblick auf eine größere Gestaltungsfreiheit außerhalb der integrierten Schaltung liegen. Darüber hinaus können der Gleichrichter 204, der Filterkondensator C1, der Abfühlwiderstand R_SET und die integrierte Schaltung auf einer Leiterplatte (PCB) montiert sein. Die Lichtquelle, zum Beispiel das in 6 gezeigte LED-Feld 210, kann in einer Ausführungsform auf einer separaten PCB montiert sein.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden somit Schaltungen und Verfahren für den Antrieb von einer oder mehreren Lichtquellen wie Leuchtdioden-(LED)-Lichtquellen bereitgestellt. In vorteilhafter Weise wird in den Antriebsschaltungen ein AC/DC-Linearwandler verwendet, der eine relativ hohe Leistungseffizienz und einen relativ hohen Leistungsfaktor erzielt und dabei im Gegensatz zu den konventionellen Lichtquellen-Antriebsschaltungen, die gegebenenfalls Schaltmodus-DC/DC-Wandler mit sperrigen Induktionsspulen, Kondensatoren und Schaltvorrichtungen erfordern, auch relativ klein und preiswert ist. Darüber hinaus erzeugt der AC/DC-Linearwandler gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung keine elektromagnetischen Störgeräusche (EMI-Geräusche) und erfordert aus diesem Grund keine EMI-Filter. Aufgrund ihrer relativ geringen Größe können die Antriebsschaltungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Leuchtkörpern verwendet werden, die unter anderem E12, E14, E17 Leuchtkolben oder T-5 und T-8 Röhren umfassen.

Claims

Lampe, umfassend: einen Gleichrichter (204) zum Richten einer AC-Spannung (V_AC) in eine gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC); eine LED-Lichtquelle (210), wobei ein Anschluss der LED-Lichtquelle (210) die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) aufnimmt; und und einen mit der LED-Lichtquelle (210) in Reihe geschalteten Schalter (Q1) zur Steuerung eines durch die LED-Lichtquelle (210) fließenden Stroms (I_O) gemäß einer vorgegebenen Stromreferenz, wobei der Schalter (Q1) linear gesteuert wird, wobei die LED-Lichtquelle (210) angeschaltet und geregelt wird, wenn ein die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) angebendes Signal (V₁) höher als eine DC-Spannung (V_DC) ist, und wobei die LED-Lichtquelle (210) abgeschaltet wird, wenn das die gleichgerichtete AC-Spannung angebende Signal (V₁) niedriger als die DC-Spannung (V_DC) ist.
Lampe nach Anspruch 1, wobei die DC-Spannung (V_DC) eine Vorwärtsspannung (V_O) der LED-Lichtquelle (210) darstellt.
Lampe nach Anspruch 1, wobei die DC-Spannung (V_DC) proportional zu einem Durchschnittspegel der gleichgerichteten AC-Spannung (V_REC) ist.
Lampe nach Anspruch 1, wobei die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) ein periodisches Spannungssignal umfasst.
Lampe nach Anspruch 1, wobei die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) ein Halbwellen-Sinusspannungssignal umfasst.
Lampe nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine mit dem Schalter (Q1) gekoppelte Steuerschaltung zur linearen Steuerung des Schalters (Q1) durch das Vergleichen eines Abfühlsignals (220), das den durch die LED-Lichtquelle (210) fließenden Strom (I_O) angibt, mit einem Referenzsignal (ADJ), das die vorgegebene Stromreferenz angibt.
Lampe nach Anspruch 6, ferner umfassend: einen mit der LED-Lichtquelle (210) in Reihe geschalteten Stromsensor (R_SET) zur Lieferung des Abfühlsignals (220).
Lampe nach Anspruch 6, wobei die Steuerschaltung einen Verstärker (206) für den Vergleich des Abfühlsignals (220) mit dem Referenzsignal (ADJ) und für die Erzeugung eines Fehlersignals zur linearen Steuerung des Schalters (Q1) umfasst.
Lampe nach Anspruch 1, wobei ein Leistungsfaktor PF der Lampe ermittelt wird durch:
wobei θ einen Leitungswinkel angibt, unter dem die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) im Wesentlichen gleich einer Vorwärtsspannung (V_O) der LED-Lichtquelle (210) ist.
Lampe nach Anspruch 1, wobei die LED-Lichtquelle (210) ein LED-String umfasst, das ferner eine Vielzahl von in Reihe geschalteten LEDs umfasst.
Controller zum Steuern der Leistung einer LED-Lichtquelle (210), die eine gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) erhält, umfassend: einen mit der LED-Lichtquelle (210) in Reihe geschalteten Schalter (Q1) und eine mit dem Schalter (Q1) gekoppelte Steuerschaltung für den Vergleich eines Abfühlsignals (220), das einen durch die LED-Lichtquelle (210) fließenden Strom (I_O) angibt, mit einem Referenzsignal (ADJ), das eine Stromreferenz angibt, und für die Erzeugung eines Steuersignals zur linearen Steuerung des Schalters (Q1), wobei der Controller die LED-Lichtquelle (210) anschaltet, wenn ein die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) angebendes Signal (V₁) höher als eine DC-Spannung (V_DC) ist, und wobei der Controller die LED-Lichtquelle (210) ausschaltet, wenn ein die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) angebendes Signal (V₁) niedriger als die DC-Spannung (V_DC) ist.
Controller nach Anspruch 11, wobei die Steuerschaltung einen Verstärker (206) für den Vergleich des Abfühlsignals (220) mit dem Referenzsignal (ADJ) und für die Erzeugung eines Fehlersignals zur linearen Steuerung des Schalters (Q1) umfasst.
Controller nach Anspruch 11, wobei die DC-Spannung (V_DC) eine Vorwärtsspannung (V_O) der LED-Lichtquelle (210) darstellt.
Controller nach Anspruch 11, wo die DC-Spannung (V_DC) proportional zu einem Durchschnittspegel der gleichgerichteten AC-Spannung (V_REC) ist.
Controller nach Anspruch 11, wobei die Steuerschaltung den Schalter (Q1) linear steuert, wenn das die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) angebende Signal (V₁) höher ist als die DC-Spannung (V_DC), und wobei die Steuerschaltung den Schalter (Q1) deaktiviert, wenn das die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) angebende Signal (V₁) niedriger ist als die DC-Spannung (V_DC).
Controller nach Anspruch 15, ferner umfassend: einen mit der Steuerschaltung gekoppelten Schalter (Q3) und einen Komparator (610) zum Vergleichen des die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) angebenden Signals (V₁) mit der DC-Spannung (V_DC) und zum Erzeugen eines Steuersignals für die Steuerung des Schalters (Q3).
Controller nach Anspruch 11, wobei die gleichgerichtete AC-Spannung (V_REC) ein periodisches Spannungssignal umfasst.
Controller nach Anspruch 11, wobei die gleichgerichtete Spannung (V_REC) ein Halbwellen-Sinusspannungssignal umfasst.
Controller nach Anspruch 11, wobei die LED-Lichtquelle (210) einen LED-String umfasst, der ferner eine Vielzahl von LEDs umfasst, die in Reihe geschaltet sind.