DE102011089885A1

DE102011089885A1 - Dimmbarer Konverter und Dimmverfahren für LEDs

Info

Publication number: DE102011089885A1
Application number: DE102011089885A
Authority: DE
Inventors: Eduardo Pereira
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-27
Also published as: WO2013092734A1; EP2796001B1; EP2796001A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen LED-Konverter 1 und ein Verfahren zum Dimmen von wenigstens einer LED-Strecke (2) oder eines LED-Moduls, Zum Dimmen der LED-Strecke (2) oder des LED-Moduls wird zunächst in wenigstens einem Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs in Richtung niedrigerer Dimmwerte das Tastverhältnis der Impulse vorzugsweise bei konstanter Strom-Amplitude verringert. Erreicht das Tastverhältnis einen vorgegeben unteren Grenzwert wird zur weiteren Verringerung des Dimmwerts das Tastverhältnis sprunghaft um einen vorgegebenen Wert erhöht und gleichzeitig die Strom-Amplitude sprunghaft auf einen verringerten Wert herabgesetzt. Die sprunghafte Veränderung des Tastverhältnisses wird vorzugsweise so durchgeführt, dass auch eine strombedingte und/oder temperaturbedingte Nichtlinearität der Lichtleistung bzw. eine Veränderung der Farbkoordinate eines LED-Moduls mit mehreren LED-Strecken 2 kompensiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen dimmbaren LED-Konverter und ein Verfahren zum Betreiben, insbesondere Dimmen, von LED-Strecken. Die Erfindung ist beispielweise zur Steuerung einer oder mehrerer LED-Strecken eines LED-Moduls verwendbar. Insbesondere kann die Erfindung eine erhöhte Farbstabilität des von einem solchen LED-Modul emittierten Lichts erreichen.
Eine LED-Strecke ist mit einer oder mehreren anorganischen oder organischen LEDs versehen. Es ist bekannt, eine oder mehrere LED-Strecken durch einen LED-Konverter mit Strom zu versorgen. Es ist ferner aus dem Stand der Technik bekannt, LED-Strecken ausgehend von einer Dimmvorgabe mit einem LED-Konverter zu dimmen. Üblicherweise werden beim Dimmen zwei bekannte Verfahren angewendet.
Zum einen kann der zeitliche Mittelwert der Amplitude des Stroms durch eine LED-Strecke direkt verändert werden. Dieses Verfahren wird als Amplitudendimmen bezeichnet und ist schematisch in 1 dargestellt. Um einen Dimmwert A einzustellen, wird die Amplitude des Stroms durch die LED-Strecke zeitlich konstant auf einen Wert I_A gesetzt. Um einen anderen Dimmwert B einzustellen, wird die Strom-Amplitude auf einen zeitlich konstanten Wert I_B geändert.
Zum anderen ist auch bekannt, die LED-Strecke mit Strom-Impulsen zu betreiben, wobei die Strom-Impulse beispielweise durch Ein- und Ausschalten eines Stroms fester Amplitude erzeugt werden. Dieses Verfahren wird als Pulsweitenmodulation(PWM)-Dimmen bezeichnet und ist in 2 schematisch dargestellt. Die Dauer der Strom-Impulse und die Pausen zwischen den einzelnen Strom-Impulsen bestimmen den effektiven Strom, der im zeitlichen Mittel durch eine LED-Strecke fließt. Die Impulsdauer (t_ein) und die Dauer der Impuls-Pausen (t_aus) definieren ein Tastverhältnis (t_ein/t_ein+ t_aus). Durch eine Veränderung des Tastverhältnisses kann eine LED-Strecke gedimmt werden.
Sowohl das Amplitudendimmen als auch das PWM-Dimmen weisen spezifische Nachteile auf. Beim Amplitudendimmen kann zusätzlich zu der Änderung der Lichtintensität (d. h. dem gewünschten Dimmeffekt) eine nicht gewünschte Verschiebung der Wellenlänge des Lichts auftreten, welche die Lichtfarbe merklich verändern kann. Das PWM-Dimmen ist dagegen bei niedrigen Dimmwerten nachteilig, da es schwierig ist die benötigten sehr kleinen Tastverhältnisse (d. h. sehr kleine effektive Ströme) einzustellen.
Die EP 1 689 212 B1 schlägt deshalb vor bei sehr niedrigen Dimmwerten Amplitudendimmen einzusetzen und bei höheren Dimmwerten PWM-Dimmen einzusetzen.
Es ist allerdings ferner bekannt, dass das Spektrum, d. h. die Farbe, als auch die Leistung des von einer LED-Strecke emittierten Lichts insbesondere bei niedrigen Dimmwerten nichtlinear mit dem Strom verschieben (dies ist bei der EP 1 689 212 B1 nicht berücksichtigt). Außerdem hängen die genannten Parameter stark von der Temperatur der LED-Strecke ab. Die Temperatur einer LED-Strecke kann beispielweise durch die Umgebungstemperatur beeinflusst werden. Vor allem bei LED-Modulen, in denen mehrere verschiedenfarbige LED-Strecken integriert sind, um insgesamt eine bestimmte Lichtfarbe, beispielweise weißes Licht, zu emittieren, kann es zu einer Instabilität der Lichtfarbe oder zu Nichtlinearitäten der Lichtleistung beim Dimmen kommen. Diese Probleme werden von der EP 1 689 212 B1 insbesondere bei niedrigen Dimmwerten nicht zufriedenstellend gelöst.
Es sind Ansätze im Stand der Technik bekannt, welche die Temperaturabhängigkeit der Farbe des Lichts eines LED-Moduls im Vorfeld messen. Die Lichtfarbe wird als Farbkoordinate oder Tristimulus in einem sogenannten CIE-Normfarbsystem oder CIE-Diagramm definiert. Ein solches CIE-Diagramm ist in 3 dargestellt. Jede Kombination der Grundfarben Rot, Blau, und Grün (also RGB) liegt innerhalb der Koordinaten des Diagramms. Die horizontale Achse gibt die Grünkomponente (X-Komponente), die vertikale Achse gibt die Rotkomponente (Y-Komponente) und die Graukodierung gibt die Blaukomponente (Z-Komponente) der Farbkoordinate an. In der Mitte des Diagramms liegt der Weißpunkt. Weißes Licht kann beispielweise von Lichtmischungen, deren Farbkoordinaten auf der Linie eines Schwarzkörper-Strahlers im CIE-Diagramm liegt, erzeugt werden.
Die Farbkoordinate des Lichts, das von einer LED-Strecke emittiert wird, hängt sowohl von dem Strom ab, der die LED-Strecke durchfließt, als auch von der Temperatur der LED-Strecke. In 4 ist beispielweise gezeigt, wie sich die normalisierte Farbkoordinate (auf der vertikale Achse angetragen, es ist nur die Y-Komponente der Farbkoordinate gezeigt) nichtlinear mit dem Strom (auf der horizontalen Achse angetragen) durch die LED-Strecke verändert. In 5 ist ferner gezeigt, wie sich unterschiedliche Temperaturen der LED-Strecke auf dieselbe normalisierte Farbkoordinate (es ist nur die Y-Komponente der Farbkoordinate gezeigt) auswirken. Die Änderung der Farbkoordinate führt zu einer Verschiebung im CIE-Diagramm. Insbesondere für ein LED-Modul mit mehreren LED-Strecken kann eine Farbverschiebung einer der LED-Strecken die Farbkoordinate des insgesamt emittierten Lichts des LED-Moduls stark beeinflussen.
Im Stand der Technik wurde deswegen vorgeschlagen, die Abhängigkeit der Farbkoordinate von unterschiedlichen Strom-Amplituden bei konstanter Temperatur zu erfassen und in einem EEPROM eines LED-Moduls abzulegen. Es wurde auch vorgeschlagen, die Temperaturabhängigkeit der Farbkoordinate bei einer bestimmten Strom-Amplitude zu messen und eine erkannte (beispielweise lineare) Abhängigkeit in einem EEPROM eines LED-Moduls abzulegen.
Allerdings ist eine tatsächliche Änderung einer Farbkoordinate eines LED-Moduls nicht eine einfache Addition der Änderungen, die einerseits durch die Temperaturabhängigkeit und andererseits durch die Stromabhängigkeit verursacht werden. Vielmehr ergibt sich die tatsächliche Änderung der Farbkoordinate nur aus einer komplexen Berechnung, die stark von der spezifischen Kombination der Temperatur und der Strom-Amplitude abhängt.
Es stellt sich daher das Problem, dass für jeden Wert der Strom-Amplitude eine entsprechende Temperaturabhängigkeit (wie in 5 gezeigt) ermittelt werden müsste, wenn dann im Zuge eines Dimmvorgangs kontinuierliche Strom-Amplituden verwendet werden sollen (wie es z. B. im unteren Dimmwert-Bereich der EP 1 689 212 B1 zu sehen ist). Eine Kompensation einer solchen nichtlinearen Abhängigkeit der Farbkoordinate zu implementieren, beispielweise durch Programmieren eines Mikrocontrollers (μC) oder ASICs des LED-Moduls, wäre aber äußerst aufwendig und würde zu komplizierten Schaltkreis-Designs und höheren Kosten führen. Außerdem dann eine Kalibrierung des LED-Moduls deutlich verlangsamt. Allerdings darf die temperaturabhängige und/oder stromabhängige Verschiebung der Farbkoordinate eins LED-Moduls nicht über ein vorbestimmtes Maß hinaus ignoriert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher zur Aufgabe, die oben genannten Probleme des Stands der Technik zu lösen. Die Nachteile der bekannten Dimmverfahren sollen zumindest abgeschwächt werden. Insbesondere stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen dimmbaren LED-Konverter und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben und Dimmen von LED-Strecken oder LED-Modulen bereitzustellen, mit dem die Farbkoordinate des emittierten Lichts sowohl über den gesamten Dimmbereich als auch über einen vorbestimmten Temperaturbereich stabil gehalten werden kann. Zudem soll sich beim Dimmen die Lichtleistung linear mit dem vorgegebenen Dimmwert ändern.
Die oben genannten Aufgaben werden von der vorliegenden Erfindung gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche entwickeln die Vorteile des Erfindungsgedankens weiter.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen dimmbaren LED-Konverter, der dazu ausgelegt ist, ausgehend von einer Dimmvorgabe wenigstens eine LED-Strecke mit einem Strom zu versorgen, wobei zumindest der zeitliche Mittelwert der Amplitude des Stroms durch die wenigstens eine LED-Strecke (2) wie auch das Tastverhältnis von Impulsen einstellbar sind, während derer Einschaltdauer LED-Strom fliesst, wobei in wenigstens einem Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs in Richtung niedrigerer Dimmwerte das Tastverhältnis der Impulse vorzugsweise bei konstanter Strom-Amplitude verringert wird, bis das Tastverhältnis einen vorgegeben unteren Grenzwert erreicht, an dem bei weiterer Verringerung des Dimmwerts das Tastverhältnis sprunghaft um einen vorgegebenen Wert erhöht wird und gleichzeitig die Strom-Amplitude sprunghaft auf einen verringerten Wert herabgesetzt wird, worauf zur noch weiteren Verringerung des Dimmwerts bei konstant verringerter Strom-Amplitude wieder das Tastverhältnis verringert wird.
Der LED-Konverter ermöglicht ist also zum Betreiben und Dimmen wenigstens einer LED-Strecke oder eines LED-Moduls (mehrere LED-Strecken) geeignet. Sowohl die Nachteile des Amplitudendimmens als auch des PWM-Dimmens können zumindest stark abgeschwächt werden. Es muss nämlich einerseits kein kontinuierliches Amplitudendimmen bei niedrigen Dimmwerten durchgeführt werden. Eine starke Farbverschiebung in diesem Bereich des Gesamt-Dimmbereichs kann also vermieden werden. Dadurch, dass auch sonst nur diskrete Strom-Amplituden eingestellt werden ist auch keine kontinuierliche Verschiebung der Wellenlänge des emittierten Lichts, d. h. eine kontinuierliche Veränderung der Farbkoordinate, in anderen Bereichen zu erwarten. Die sprunghaften Veränderungen der Strom-Amplitude auf diskrete Werte können leichter ausgeglichen werden. Andererseits kann das Tastverhältnis des PWM-Dimmens bis zu dem vorgegebenen unteren Grenzwert problemlos durchgeführt werden. Es kann also ein großer Gesamt-Dimmbereich erzielt werden, ohne dass äußerst kleine – wie oben beschrieben problematische – Tastverhältnisse nötig sind.
Vorteilhafterweise beträgt eine Anzahl der Abschnitte des Gesamt-Dimmbereichs, in denen das Tastverhältnis der Impulse vorzugsweise bei konstanter Strom-Amplitude verringert wird, bis das Tastverhältnis einen vorgegeben unteren Grenzwert erreicht, an dem bei weiterer Verringerung des Dimmwerts das Tastverhältnis sprunghaft um einen vorgegebenen Wert erhöht wird und gleichzeitig die Strom-Amplitude sprunghaft auf einen verringerten Wert herabgesetzt wird, 2, 3, oder 4.
Diese Anzahl ist einerseits vorteilhafterweise groß genug, um durch die mehrfachen Sprünge der Strom-Amplitude einen großen Gesamt-Dimmbereich aufzuspannen, ohne dass jemals extrem niedrige Tastverhältnisse eingestellt werden müssen. Andererseits ist die Anzahl vorteilhafterweise auf nur einige diskrete Strom-Amplituden begrenzt, was eine Kompensation einer strombedingten und/oder einer temperaturbedingten Farbverschiebungen (Änderungen der Farbkoordinate des emittierten Lichts) erleichtert.
Vorteilhafterweise ist in dem dimmbaren LED-Konverter für jeden Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs der wenigstens einen LED-Strecke eine zugeordnete Strom-Amplitude abgelegt.
Vorteilhafterweise ist der dimmbare LED-Konverter dazu ausgelegt, eine nichtlineare Änderung der Lichtleistung des von der wenigstens einen LED-Strecke emittierten Lichts, die durch eine sprunghafte Verringerung der Strom-Amplitude der wenigstens einen LED-Strecke und/oder eine Änderung der Temperatur verursacht wird, durch eine Anpassung des Tastverhältnisses zu kompensieren.
Der dimmbare LED-Konverter kann dafür die Umgebungstemperatur und/oder die Temperatur der LED-Strecke indirekt oder direkt messen, beispielweise über einen entsprechend positionierten Temperaturfühler. Beispielweise wird, wenn die Strom-Amplitude sprunghaft halbiert wird, das Tastverhältnis nicht lediglich sprunghaft verdoppelt, sondern auf einen zusätzlich korrigierten Wert gesetzt, so dass die Lichtleistung vor und nach den sprunghaften Änderungen gleich bleibt. Der Korrekturwert des Tastverhältnisses kann beispielweise von einem μC des dimmbaren LED-Konverters berechnet werden. Korrekturwerte können auch im Vorfeld in einem Speicher des dimmbaren LED-Konverters abgelegt werden.
Vorteilhafterweise ist der dimmbare LED-Konverter dazu ausgelegt, eine nichtlineare Änderung der Lichtleistung für mehrere LED-Strecken selektiv zu kompensieren. Dadurch kann in einem LED-Modul mit mehreren LED-Strecken sowohl die Lichtleistung als auch die Farbkoordinate des insgesamt emittierten Lichts besser kontrolliert werden.
Für den dimmbaren LED-Konverter können mehrere mit Strom zu versorgende LED-Strecken jeweils einem Farbkanal eines LED-Moduls zugeordnet sein. Die mehreren LED-Strecken können z. B. die Farbkanäle eines Weißlicht-LED-Moduls sein. Durch die selektive Anpassung und die dadurch erzielte Stabilisierung der Farbkoordinate kann ein gleichmäßigeres Weißlicht realisiert werden.
Vorteilhafterweise ist der dimmbare LED-Konverter dazu ausgelegt, eine Änderung einer Farbkoordinate des zusammen von mehreren LED-Strecken emittierten Lichts, die durch eine sprunghafte Verringerung der Strom-Amplitude durch wenigstens eine LED-Strecken verursacht wird, durch Anpassen des Tastverhältnisses der wenigstens einen LED-Strecke zu kompensieren.
Mehrere von dem LED-Konverter betriebene LED-Strecken können einen unteren Grenzwert des Tastverhältnisses bei unterschiedlichen Dimmwerten erreichen und damit bei unterschiedlichen Dimmwerten eine sprunghafte Veränderung der Strom-Amplitude und des Tastverhältnisses erfahren. Ändert sich dadurch für eine von mehreren LED-Strecken die Strom-Amplitude, ändert sich auch die Farbkoordinate dieser LED-Strecke und damit auch die Farbkoordinate des insgesamt emittierten Lichts, welches eine Überlagerung des Lichts der einzelnen LED-Strecken ist. Durch die Bestimmung eines Korrekturwerts für das Tastverhältnis kann der absolute Beitrag einer LED-Strecke zum insgesamt emittierten Licht verändert werden. Dadurch kann die Farbkoordinate verschoben werden. Der Korrekturwert kann von einem μC des LED-Konverters berechnet werden, wozu abgelegte Berechnungsformeln, Tabellen oder Abhängigkeiten verwendet werden können.
Vorteilhafterweise ist der dimmbare LED-Konverter dazu ausgelegt, eine Änderung einer Farbkoordinate des zusammen von mehreren LED-Strecken emittierten Lichts, die durch eine sprunghafte Verringerung der Strom-Amplitude durch wenigstens eine LED-Strecke verursacht wird, durch Anpassen des Tastverhältnisses wenigstens einer anderen LED-Strecke zu kompensieren.
Der Beitrag zum insgesamt emittierten Licht der LED-Strecke, deren Farbkoordinate sich verändert hat, kann sowohl durch eine Anpassung, beispielweise einer Erhöhung, des Tastverhältnisses dieser LED-Strecke als auch einer entgegengesetzten Anpassung, beispielweise einer Erniedrigung, des Tastverhältnisses von wenigstens einer anderen LED-Strecke erreicht werden.
Durch die Kompensation der Farbkoordinate kann die Farbstabilität eines LED-Moduls mit wenigstens zwei LED-Strecken über den Gesamt-Dimmbereich verbessert werden. Da keine kontinuierliche Kompensation der Farbkoordinate, sondern nur eine diskrete Kompensation der Farbkoordinate bei jeder sprunghaften Änderung der Strom-Amplitude durchgeführt werden muss, ist eine einfache und kostengünstige Implementierung in einem μC des dimmbaren LED-Konverters möglich. Der maximale Dimmbereich eines LED-Moduls kann farbstabil vergrößert werden. Das Anpassen des Tastverhältnisses kann beispielsweise von dem μC selbständig basierend auf abgelegten Berechnungsformeln berechnet werden. Durch die limitierte Anzahl an diskreten Sprüngen der Strom-Amplitude verringert sich auch die notwendige Messzeit für Kalibrierungsvorgänge eines LED-Moduls.
Vorteilhafterweise ist in dem dimmbaren LED-Konverter eine Abhängigkeit der Farbkoordinate von den diskret einstellbaren Strom-Amplituden jeder der mehreren LED Strecken abgelegt.
Durch das Ablegen der Stromabhängigkeit muss ein μC des LED-Konverters keine selbstständige Berechnung der Anpassung, d. h. eines Korrekturwerts des Tastverhältnisses, durchführen. Dadurch kann sowohl das Dimmen als auch ein Kalibrierungsprozess deutlich vereinfacht bzw. beschleunigt werden. Die Stromabhängigkeit kann beispielweise als eine Werteliste oder -tabelle oder als eine oder mehrere Farbkoordinaten-Kurven (wie beispielweise in 4 gezeigt) in einem Speicher des dimmbaren LED-Konverters abgelegt werden. Der LED-Konverter kann auch kalibriert werden, indem neue Stromabhängigkeiten abgespeichert werden. Es ist auch denkbar mehrere Stromabhängigkeiten parallel abzulegen, beispielsweise für verschiedene Altersstufen einer LED-Strecke oder eines LED-Moduls. Dadurch können altersbedingte Änderungen kompensiert werden.
Vorteilhafterweise ist der dimmbare LED-Konverter dazu ausgelegt, eine Änderung einer Farbkoordinate des zusammen von mehreren LED-Strecken emittierten Lichts, die durch eine Änderung der Temperatur verursacht wird, durch Anpassen des Tastverhältnisses von wenigstens einer LED-Strecke zu kompensieren.
Vorteilhafterweise ist in dem dimmbaren LED-Konverter eine Temperaturabhängigkeit der Farbkoordinate für jede diskret einstellbare Strom-Amplitude der wenigstens einen LED-Strecke abgelegt.
Die Temperaturabhängigkeit kann wie die Stromabhängigkeit in einem Speicher des LED-Konverters abgelegt werden. Es ist vorteilhaft Wertetabellen oder Verlaufskurven kombinierter Abhängigkeiten abzulegen. Eine Kombination aus eine Temperatur- und einer Stromabhängigkeit muss dann nicht komplex berechnet werden, sondern kann einfach ausgelesen werden. Das Licht eines LED-Moduls kann dadurch farbstabiler gedimmt werden. Alternativ kann ein Berechnungsschema abgelegt werden, das ein Mikrocontroller verwendet, um das Tastverhältnis zu ermitteln, das dazu geeignet ist eine strombedingte oder temperaturbedingte Änderung der Farbkoordinate zu kompensieren.
Die Anpassung des Tastverhältnisses kann sowohl für jede LED-Strecke selektiv als auch selektiv für eine Gruppe von LED-Strecken ausgeführt werden. Eine Gruppe kann z. B. ein Farbkanal eines LED-Moduls sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben ausgehend von einer Dimmvorgabe wenigstens einer LED-Strecke, die mit einem Strom versorgt wird, wobei zumindest der zeitliche Mittelwert der Amplitude des Stroms durch die LED-Strecke wie auch das Tastverhältnis von Impulsen einstellbar sind, während derer Einschaltdauer LED-Strom fließt, wobei in wenigstens einem Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs in Richtung niedrigerer Dimmwerte das Tastverhältnis der Impulse vorzugsweise bei konstanter Strom-Amplitude verringert wird, bis das Tastverhältnis einen vorgegeben unteren Grenzwert erreicht, an dem bei weiterer Verringerung des Dimmwerts das Tastverhältnis sprunghaft um einen vorgegebenen Wert erhöht wird und gleichzeitig die Strom-Amplitude sprunghaft auf einen verringerten Wert herabgesetzt wird, worauf zur noch weiteren Verringerung des Dimmwerts bei konstant verringerter Strom-Amplitude wieder das Tastverhältnis verringert wird.
Die vorliegende Erfindung wird im Weiteren in Bezug auf die beigefügen Figuren beschrieben.
1 zeigt bekanntes Amplitudendimmen.
2 zeigt bekanntes PWM-Dimmen.
3 zeigt Farbkoordinaten im CIE-Diagramm.
4 zeigt eine Stromabhängigkeit einer Farbkoordinate.
5 zeigt eine Strom- und Temperaturabhängigkeit einer Farbkoordinate.
6 zeigt ein Blockschaltbild eines dimmbaren LED-Konverters der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt den Verlauf der Amplitude und des Tastverhältnisses des Stroms durch eine LED-Strecke.
8 zeigt das kombinierte Dimmverfahren der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines dimmbaren LED-Konverters 1, der wenigstens eine LED-Strecke 2 mit einem Strom versorgt. Eine LED-Strecke 2 weist wenigstens eine LED auf, wobei unter LED sowohl anorganische als auch organische LEDs (OLEDS) zu verstehen sind. Die LEDs können auch mit Leucht- und oder Streupartikeln versehen, bspw. beschichtet sein, welche das von der LED emittierte Licht beeinflussen. Der LED-Konverter 1 steuert die wenigstens eine LED-Strecke basierend auf einer Dimmvorgabe 3, beispielsweise von einer externen Steuerschaltung. Die Dimmvorgabe 3 kann dem LED-Konverter 1 eine Strom-Amplitude und vorzugsweise ein Tastverhältnis von Strom-Impulsen vorgeben, die für jede der wenigstens einen LED-Strecke 2 einstellbar sind.
Der LED-Konverter 1 kann die vorgegebene Strom-Amplitude für Strom-Impulse zumindest im zeitlichen Mittel einstellen. Der dimmbare LED-Konverter 1 kann dafür die Strom-Amplitude als zeitlichen Mittelwert einer hochfrequenten Fluktuation des Stroms durch die LED-Strecke 2 erzeugen, wobei die hochfrequente Fluktuation wiederum beispielweise durch einen Bus-Konverter erzeugt werden können. Der LED-Konverter 1 kann ferner das vorgegebene Tastverhältnis der Strom-Impulse, während denen Strom durch die wenigstens eine LED-Strecke 2 fließt, einstellen. Der dimmbare LED-Konverter 1 der vorliegenden Erfindung ist neben PWM-Dimmen (wie oben in Bezug auf 2 beschrieben) auch für Amplitudendimmen (wie oben in Bezug auf 1 beschrieben) geeignet. Er kann also auch einen kontinuierlichen, d. h. einen nicht gepulsten Strom durch die wenigstens eine LED-Strecke 2 fließen lassen und die Amplitude dieses Stroms diskret oder kontinuierlich verändern.
Der LED-Konverter 1 kann ferner mit einem Speicher 4, wie einem EEPROM, ROM oder ähnlichem versehen sein, in dem Information als Daten abgelegt werden kann. Der LED-Konverter 1 kann Daten in den Speicher 4 schreiben und Daten aus diesem auslesen. Dies kann beispielweise durch einen Mikrocontroller (μC) 5 oder ASIC des LED-Konverters 1 durchgeführt werden. Der μC 5 und der Speicher 4 können auch in einem Bauteil integriert sein.
7 zeigt wie der LED-Konverter 1 die wenigstens eine LED-Strecke 2 über einen Gesamt-Dimmbereich gemäß der vorliegenden Erfindung ansteuert. Auf der horizontalen Achse ist in 7 der prozentuale Dimmwert (in Bezug auf die maximale Lichtleistung) angezeigt, auf der vertikalen Achse ist im unteren Bereich das prozentuale Tastverhältnis und im oberen Bereich die prozentuale Strom-Amplitude (in Bezug auf den Maximalstrom) angezeigt.
Ausgehend von einem maximalen Dimmwert von 100% wird der Dimmwert zu niedrigeren Dimmwerten hin zunächst ausschließlich über PWM-Dimmen gesteuert. Die Strom-Amplitude bleibt dabei vorzugsweise konstant, in 7 beispielsweise auf 100%, also dem Maximalstrom. Über einen ersten Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs wird das Tastverhältnis kontinuierlich von etwa 70% auf etwa 20% verringert, wodurch die effektive Strom-Amplitude durch die LED-Strecke 2 kontinuierlich verringert wird. Da faktisch aber immer nur eine gleichbleibende Strom-Amplitude (hier die maximale Strom-Amplitude von 100%) durch die LED-Strecke fließt, die lediglich ein- und ausgeschaltet wird, ändert sich die Farbkoordinate des von der LED-Strecke 2 emittierten Lichts im CIE-Diagramm nicht. Ein Tastverhältnis von etwa 20% ist übrigens problemlos einstellbar, ohne die oben beschriebenen nachteiligen Effekte des PWM-Dimmens in Kauf nehmen zu müssen.
Bei einem Dimmwert von ungefähr 32% wird ein unterer Grenzwert des angezeigten Abschnitts des Gesamt-Dimmbereichs erreicht. Der untere Grenzwert ist beispielweise durch ein minimal einzustellendes Tastverhältnis definiert (um etwa die genannten Probleme des PWM-Dimmens zu vermeiden). Alternativ kann der Grenzwert aber auch fest einem Dimmwert zugeordnet sein. Ist der Grenzwert erreicht wird zur weiteren Verringerung des Dimmwerts die Strom-Amplitude sprunghaft verringert. Alternativ kann auch ein Wechsel mit einem Anstieg erfolgen. Es kann sich auch bei einem sprunghaften Wechsel der Amplitude der Wechsel des Signals am Konverter mit einem Anstieg einstellen, da erst eine Umladung (z. B. von parasitären Elementen) erfolgen muß. In dem gezeigten Beispiel in 7 wird die Strom-Amplitude von 100% auf 50% des Maximalstroms herabgesetzt. Um dadurch nicht nur noch den halben Dimmwert (d. h. in diesem Fall etwa 16%) zu bekommen, muss gleichzeitig eine kompensierende Erhöhung des Tastverhältnisses vollzogen werden. Im einfachsten Fall, falls der dimmbare LED-Konverter 1 keine Korrekturwerte berechnet, müsste das Tastverhältnis also von ca. 20% auf ca. 40% sprunghaft erhöht werden. In 7 wird das Tastverhältnis allerdings auf nur etwa 38% erhöht, da eine zusätzliche Kompensation wie im Folgenden beschrieben durchgeführt wird.
Beim sprunghaften Verringern der Strom-Amplitude wird die Farbkoordinate des emittierten Lichts der LED-Strecke 2 im CIE-Diagramm verändert. Dies führt folglich auch bei einem LED-Modul mit mehreren LED-Strecken 2 zu einer nicht erwünschten Farbverschiebung. Die Farbkoordinate des von mehreren LED-Strecken 2 emittierten Lichts eines LED-Moduls setzt sich aus einer Überlagerung des Lichts der einzelnen LED Strecken 2 zusammen. Je nach Dimmwert können die einzelnen LED-Strecken 2 eines LED-Moduls unterschiedlich gewichtet sein. Bei einem Sprung der Strom-Amplituden kann der LED-Konverter 1 nun einen Korrekturwert bestimmen, der die Gewichtung der farbveränderten LED-Strecke 2 durch eine Anpassung des Tastverhältnisses so verändert, dass die Farbkoordinate des Lichts des LED-Moduls insgesamt im CIE-Diagramm unverändert bleibt.
Die Anpassung des Tastverhältnisses kann gemäß im Speicher 4 abgelegten Abhängigkeiten, beispielsweise Kurven, welche die Farbkoordinate über den Strom und/oder die Temperatur (wie in 4 und 5 gezeigt) darstellen, vorgenommen werden. Wie oben beschrieben verläuft auch die Lichtleistung nicht linear mit der eingestellten Strom-Amplitude. Daher könnte es bei den Sprüngen der Strom-Amplitude und dem Tastverhältnis zu einer nicht erwünschten Änderung der Lichtleistung kommen. Der μC 5 des LED-Konverters 1 kann aber das Tastverhältnis auch auf die nichtlineare Lichtleistung korrigieren, d. h. er kann eine Anpassung zum Kompensieren sowohl der Lichtleistung als auch der Farbkoordinate vornehmen. In 6 wird daher das Tastverhältnis am Grenzwert lediglich auf etwa 38% sprunghaft erhöht. Dies ist also ein Korrekturwert, um eine kontinuierlich einstellbare Lichtleistung und eine Farbstabilität über den gesamten Dimmbereich zu ermöglichen.
Um nach dem erreichten Grenzwert noch weiter hin zu niedrigeren Dimmwerten zu Dimmen, wird wiederum die Strom-Amplitude konstant gehauen (in 6 nunmehr konstant auf 50%) und nur das Tastverhältnis kontinuierlich verändert. Es können auch mehr als zwei Abschnitte des Gesamt-Dimmwertbereichs für eine LED-Strecke 2 definiert sein. Dementsprechend gibt es mehrere Grenzwerte, an denen eine sprunghafte Verringerung der Strom-Amplitude bei einer gleichzeitigen sprunghaften Erhöhung des Tastverhältnisses vollzogen wird. In 6 ist dies durch die gestrichelte Linie dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt ein Beispiel eines Dimmschemas mit drei Abschnitten des Gesamt-Dimmbereichs. Dementsprechend gibt es zwei untere Grenzwerte (für den höchsten Abschnitt und den mittleren Abschnitt). Bei jedem unteren Grenzwert wird von hohen Dimmwerten hin zu niedrigen Dimmwerten die Strom-Amplitude sprunghaft verringert, während das Tastverhältnis sprunghaft erhöht wird. Wiederum geschieht dies, um einerseits den Dimmwert kontinuierlich zu regeln und andererseits, um sowohl die Nichtlinearität der Lichtleistung mit der Strom-Amplitude als auch die Veränderung der Farbkoordinate mit der Strom-Amplitude in einem LED-Modul auszugleichen. Die unteren Grenzwerte können jeweils durch Erreichen eines bestimmten minimalen Tastverhältnisses definiert sein, oder können bei vorbestimmten Dimmwerten festgelegt sein.
In einem LED-Modul wird das Tastverhältnis einzelner LED-Strecken 2 unter Umständen unterschiedlich schnell (d. h. unterschiedlich stark bei gleicher Änderung des Dimmwerts) verändert. Wenn für jede LED-Strecke der Grenzwert durch das die minimale Tastverhältnis vorgegeben ist, erreichen die LED-Strecken 2 dieses Tastverhältnis also bei unterschiedlichen Dimmwerten. Immer wenn eine LED-Strecke 2 eine sprunghafte Änderung der Strom-Amplitude erfährt, wird entweder ein Korrekturwert des Tastverhältnisses dieser LED-Strecke 2 oder einer anderen LED-Strecke 2' bestimmt und dadurch eine Kompensation der Farbkoordinate durchgeführt.
Da das Dimmverfahren, das der LED-Konverter 1 durchführt, nur wenige diskrete Strom-Amplituden, beispielsweise zwei bis vier diskrete Strom-Amplituden für zwei bis vier Abschnitte des Gesamt-Dimmbereichs für wenigstens eine LED-Strecke 2 zulässt, muss nur eine begrenzte Anzahl von Temperaturabhängigkeiten im Speicher 4 abgelegt werden, um auch eine Anpassung des Tastverhältnisses auf eine temperaturbedingte Veränderung der Farbkoordinate durchzuführen.
Selbstverständlich funktioniert das Verfahren äquivalent von niedrigen Dimmwerten kommend hin zu hohen Dimmwerten. Dabei wird, wenn ein Grenzwert erreicht wird, die Strom-Amplitude sprunghaft erhöht und gleichzeitig das Tastverhältnis der Strom-Impulse sprunghaft auf einen verringerten Wert herabgesetzt. Es findet also bei einem Übergang von einem Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs zu einem anderen Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs eine sprunghafte Änderung von sowohl der Strom-Amplitude als auch dem Tastverhältnis der Strom-Impulse statt. Dabei wird auf die abgelegten Temperatur- und Stromabhängigkeiten der Farbkoordinate und/oder der Lichtleistung zurückgegriffen und eine entsprechende Kompensation des Tastverhältnisses durchgeführt.
9 zeigt einen beispielhaften Übergang an einem unteren Grenzwert eines Abschnitts des Gesamt-Dimmbereichs. Sowohl das obere Diagramm als auch das untere Diagramm zeigen einen Dimmwert A, an dem der Übergang von dem einem Abschnitt zu dem anderen Abschnitt stattfindet. Zu niedrigeren Dimmwerten hin wird an diesem Grenzwert von den Strom-Impulsen des oberen Diagramms zu den Strom-Impulsen des unteren Diagramms geschaltet. Die Strom-Amplitude wird sprunghaft herabgesetzt, während das Tastverhältnis sprunghaft erhöht wird. Dabei wird die Pulsweite t_ein sprunghaft verbreitert, während die Pausen t_aus zwischen den einzelnen Strom-Impulsen sprunghaft verkürzt werden. Der effektive Strom bleibt insgesamt nahezu gleich, so dass ein kontinuierlicher Übergang zwischen den zwei Abschnitten des Gesamt-Dimmbereichs stattfindet. Allerdings wird die absolut angelegte Strom-Amplitude geändert. Daraus resultierende Lichtleistungs- und Farbkoordinatenänderungen in einem LED-Modul werden wie beschrieben durch die Anpassung des Tastverhältnisses auf einen Korrekturwert ausgeglichen.
Die vorliegende Erfindung löst also mit dem LED-Konverter 1 und dem entsprechend ausgeführten Verfahren die oben genannten Probleme des Stands der Technik. Es kann eine nichtlineare Änderung der Farbkoordinate eines LED-Moduls in Abhängigkeit vom Strom durch eine LED-Strecke 2 ausgeglichen werden. Zudem kann die Temperaturabhängigkeit der Farbkoordinate des LED-Moduls ausgeglichen werden. Aufgrund des vorgeschlagenen Verfahrens muss dies nur für wenige diskrete Strom-Amplituden durchgeführt werden. Dafür können vorab Informationen in einem Speicher abgelegt werden. Die Menge an Information ist aufgrund der diskreten Strom-Amplituden gering und es kann deshalb ein LED-Konverter 1 bereitgestellt werden, der ein einfaches Design aufweist und kostengünstig in seiner Herstellung ist. Trotzdem kann der LED-Konverter 1 eine hohe Farbstabilität für das Licht eines angesteuerten LED-Moduls über den gesamten Dimmbereich gewährleisten.
Es ist auch möglich, dass in wenigstens einem Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs in Richtung höherer Dimmwerte das Tastverhältnis der Impulse vorzugsweise bei konstanter Strom-Amplitude erhöht wird, bis das Tastverhältnis einen vorgegeben oberen Grenzwert erreicht, an dem bei weiterer Erhöhung des Dimmwerts das Tastverhältnis sprunghaft um einen vorgegebenen Wert herabgesetzt wird und gleichzeitig die Strom-Amplitude sprunghaft auf einen erhöhten Wert heraufgesetzt wird, worauf zur noch weiteren Erhöhung des Dimmwerts bei konstant erhöhter Strom-Amplitude erneut das Tastverhältnis erhöht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1689212 B1 [0006, 0007, 0007, 0012]

Claims

Dimmbarer LED-Konverter (1), der dazu ausgelegt ist, ausgehend von einer Dimmvorgabe (3) wenigstens eine LED-Strecke (2) mit Strom zu versorgen, wobei zumindest der zeitliche Mittelwert der Amplitude des Stroms durch die wenigstens eine LED-Strecke (2) wie auch das Tastverhältnis von Impulsen einstellbar sind, während derer Einschaltdauer LED-Strom fliesst, wobei in wenigstens einem Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs in Richtung niedrigerer Dimmwerte das Tastverhältnis der Impulse vorzugsweise bei konstanter Strom-Amplitude verringert wird, bis das Tastverhältnis einen vorgegeben unteren Grenzwert erreicht, an dem bei weiterer Verringerung des Dimmwerts das Tastverhältnis sprunghaft um einen vorgegebenen Wert erhöht wird und gleichzeitig die Strom-Amplitude sprunghaft auf einen verringerten Wert herabgesetzt wird, worauf zur noch weiteren Verringerung des Dimmwerts bei konstant verringerter Strom-Amplitude erneut das Tastverhältnis verringert wird.
Dimmbarer LED-Konverter (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Anzahl der Abschnitte des Gesamt-Dimmbereichs, in denen das Tastverhältnis der Impulse vorzugsweise bei konstanter Strom-Amplitude verringert wird, bis das Tastverhältnis einen vorgegeben unteren Grenzwert erreicht, an dem bei weiterer Verringerung des Dimmwerts das Tastverhältnis sprunghaft um einen vorgegebenen Wert erhöht wird und gleichzeitig die Strom-Amplitude sprunghaft auf einen verringerten Wert herabgesetzt wird, 2, 3, oder 4 beträgt.
Dimmbarer LED-Konverter (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem für jeden Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs der wenigstens einen LED-Strecke (2) eine zugeordnete Strom-Amplitude abgelegt ist.
Dimmbarer LED-Konverter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der dazu ausgelegt ist, eine nichtlineare Änderung der Lichtleistung des von der wenigstens einen LED-Strecke (2) emittierten Lichts, die durch eine sprunghafte Verringerung der Strom-Amplitude der wenigstens einen LED-Strecke (2) und/oder eine Änderung der Temperatur verursacht wird, durch eine Anpassung des Tastverhältnisses zu kompensieren.
Dimmbarer LED-Konverter (1) gemäß Anspruch 4, der dazu ausgelegt ist, eine Änderung der Lichtleistung für mehrere LED-Strecken (2) selektiv zu kompensieren.
Dimmbarer LED-Konverter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere mit Strom zu versorgende LED-Strecken (2) jeweils einem Farbkanal eines LED-Moduls zugeordnet sind.
Dimmbarer LED-Konverter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, der dazu ausgelegt ist, eine Änderung einer Farbkoordinate des zusammen von mehreren LED-Strecke (2) emittierten Lichts, die durch eine sprunghafte Verringerung der Strom-Amplitude durch wenigstens eine LED-Strecken (2) verursacht wird, durch Anpassen des Tastverhältnisses der wenigstens einen LED-Strecke (2) zu kompensieren.
Dimmbarer LED-Konverter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, der dazu ausgelegt ist, eine Änderung einer Farbkoordinate des zusammen von mehreren LED-Strecken (2) emittierten Lichts, die durch eine sprunghafte Verringerung der Strom-Amplitude durch wenigstens eine LED-Strecke (2) verursacht wird, durch Anpassen des Tastverhältnisses wenigstens einer anderen LED-Strecke (2) zu kompensieren.
Dimmbarer LED-Konverter (1) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, in dem eine Abhängigkeit der Farbkoordinate von den diskret einstellbaren Strom-Amplituden jeder der mehreren LED Strecken (2) abgelegt ist.
Dimmbarer LED-Konverter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, der dazu ausgelegt ist, eine Änderung einer Farbkoordinate des zusammen von mehreren LED-Strecken (2) emittierten Lichts, die durch eine Änderung der Temperatur verursacht wird, durch Anpassen des Tastverhältnisses von wenigstens einer LED-Strecke (2) zu kompensieren.
Dimmbarer LED-Konverter gemäß Anspruch 10, in dem eine Temperaturabhängigkeit der Farbkoordinate für jede diskret einstellbare Strom-Amplitude der wenigstens einen LED-Strecke (2) abgelegt ist.
LED-Lampe, insbesondere Retrofit LED-Lampe, aufweisend einem LED-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben ausgehend von einer Dimmvorgabe (3) wenigstens einer LED-Strecke (2), die mit einem Strom versorgt wird, wobei zumindest der zeitliche Mittelwert der Amplitude des Stroms durch die LED-Strecke (2) wie auch das Tastverhältnis von Impulsen einstellbar sind, während derer Einschaltdauer LED-Strom fließt, wobei in wenigstens einem Abschnitt des Gesamt-Dimmbereichs in Richtung niedrigerer Dimmwerte das Tastverhältnis der Impulse vorzugsweise bei konstanter Strom-Amplitude verringert wird, bis das Tastverhältnis einen vorgegeben unteren Grenzwert erreicht, an dem bei weiterer Verringerung des Dimmwerts das Tastverhältnis sprunghaft um einen vorgegebenen Wert erhöht wird und gleichzeitig die Strom-Amplitude sprunghaft auf einen verringerten Wert herabgesetzt wird, worauf zur noch weiteren Verringerung des Dimmwerts bei konstant verringerter Strom-Amplitude wieder das Tastverhältnis verringert wird.