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Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Treiberschaltung und ein Verfahren zum Treiben einer elektrischen Last.
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Eine elektrische Last, die beispielsweise eine Leuchtdiode, abgekürzt LED, aufweist, wird häufig mit einer Treiberschaltung betrieben, die eine Steuerschaltung und einen Stromregler umfasst. Der Stromregler ist dabei seriell zur elektrischen Last angeordnet und wird von der Steuerschaltung eingestellt.
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Dokument
US 2011/0062872 A1 beschreibt eine Treiberschaltung für mehrere, parallel angeordnete elektrische Lasten, die jeweils mindestens eine LED aufweisen. In einem Kalibrierverfahren werden Stromwerte der Stromregler ermittelt. Die Stromwerte werden während des Betriebs der elektrischen Lasten konstant gehalten.
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Aufgabe der vorliegenden Patentanmeldung ist es, eine Treiberschaltung und ein Verfahren zum Treiben einer elektrischen Last bereitzustellen, die eine hohe Effizienz aufweisen.
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Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 und dem Verfahren gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einer Ausführungsform enthält eine Treiberschaltung für einen Stromregler, der insbesondere seriell zu einer elektrischen Last koppelbar ist, eine Steuerschaltung zum Ansteuern des Stromreglers. Die Steuerschaltung ist ausgelegt, mindestens zwei Sollstromwerte des Stromreglerstroms des Stromreglers an mindestens zwei Zeitpunkten in einer Betriebsphase in Abhängigkeit von einem an dem Stromregler abgreifbaren Signal so zu ermitteln, dass eine dem Stromregler zugeordnete Versorgungsspannung reduziert wird.
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Mit Vorteil erfolgt die Ermittlung der Sollstromwerte des Stromreglers an mindestens zwei Zeitpunkten während des Betriebs des Stromreglers. Somit ist eine Steuerung des Stromreglers während des Betriebs durchgeführt. An den mindestens zwei Zeitpunkten können unterschiedliche Sollstromwerte des Stromreglers ermittelt werden. Der Sollstromwert des Stromreglers wird derart verändert, dass er zu einer geringer werdenden Versorgungsspannung führt.
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In einer Ausführungsform fällt die Versorgungsspannung über der elektrischen Last und dem Stromregler ab. Die Versorgungsspannung kann über einer Serienschaltung, umfassend die elektrische Last und den Stromregler, anliegen.
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In einer Ausführungsform ist die Versorgungsspannung bei den mindestens zwei Zeitpunkten näherungsweise gleich groß. Die Steuerschaltung hat den Effekt, dass die Versorgungsspannung am späteren der mindestens zwei Zeitpunkte niedriger als am früheren der mindestens zwei Zeitpunkte ist. Die mindestens zwei Zeitpunkte können in einem Zeitabschnitt der Betriebsphase sein, der einer Anschaltphase folgt. In diesem Zeitabschnitt arbeitet ein die Versorgungsspannung erzeugender Spannungswandler im nahezu eingeschwungenen Zustand. Während der Anschaltphase startet die Versorgungsspannung bei 0 V.
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In einer Ausführungsform ist die Versorgungsspannung näherungsweise konstant während des Zeitabschnitts der Betriebsphase, in dem sich die mindestens zwei Zeitpunkte befinden. Auch bei einer nahezu konstanten Versorgungsspannung können sich aufgrund einer Temperaturdrift oder eines Alterungseffekts in der elektrischen Last die Charakteristiken der elektrischen Last derart verändern, dass mittels einer Änderung des Sollstromwerts die Versorgungsspannung reduzierbar ist. Die mindestens zwei Zeitpunkte können sich jedoch auch in einem Zeitabschnitt der Betriebsphase befinden, während der die Versorgungsspannung ansteigt oder abfällt.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung ausgelegt, kontinuierlich den Sollstromwert des Stromreglers in der Betriebsphase zu ermitteln. Die Ermittlung erfolgt dabei an den mindestens zwei Zeitpunkten sowie im Zeitraum zwischen den mindestens zwei Zeitpunkten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerschaltung ausgelegt, den Stromregler pulsweitenmoduliert zu betreiben. Die Betriebsphase umfasst dabei mindestens zwei Taktzyklen. Ein erster der mindestens zwei Zeitpunkte befindet sich in einem ersten Taktzyklus und ein zweiter der mindestens zwei Zeitpunkte in einem zweiten Taktzyklus der Betriebsphase. Der Sollstromwert des Stromreglers wird sowohl im ersten wie auch im zweiten Taktzyklus ermittelt. Bevorzugt wird das am Stromregler abgreifbare Signal in einer Anschaltphase des Stromreglers abgegriffen. Bevorzugt stellt die Steuerschaltung den in einem Taktzyklus ermittelten Sollstromwert im darauffolgenden Taktzyklus am Stromregler ein. Beispielsweise wird der Sollstromwert in mindestens zehn Taktzyklen ermittelt und eingestellt. Mit Vorteil wird quasi-kontinuierlich der Sollstromwert des Stromreglers ermittelt und eingestellt. Somit kann eine besonders hohe Effizienz des Gesamtsystems erzielt werden.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung ausgelegt, ein Tastverhältnis, mit dem der Stromregler betrieben wird, konstant einzustellen. Das Tastverhältnis kann beispielsweise den Wert 100% aufweisen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Steuerschaltung ausgelegt, das Tastverhältnis, mit dem der Stromregler betrieben wird, in Abhängigkeit von dem am Stromregler abgreifbaren Signal zu ermitteln. Um eine von der elektrischen Last verwendete elektrische Leistung konstant zu halten, kann beispielsweise der Sollstromwert verringert und das Tastverhältnis entsprechend erhöht werden.
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In einer Ausführungsform ist das am Stromregler abgreifbare Signal eine Stromreglerspannung, die an einem Lastanschluss zwischen dem Stromregler und der elektrischen Last abgreifbar ist. Die Stromreglerspannung kann beispielsweise über dem Stromregler abfallen. Der Stromregler ist über den Lastanschluss mit der elektrischen Last verbunden. Die Stromreglerspannung kann zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss des Stromreglers und dem Lastanschluss abgegriffen werden.
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Alternativ kann das am Stromregler abgreifbare Signal ein Ansteuersignal eines Transistors des Stromreglers sein. Der durch den Stromregler fließende Strom fließt durch den Transistor. Der Transistor ist zur Steuerung des durch den Stromregler fließenden Stroms vorgesehen.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung ausgelegt, einen Einstellkoeffizienten in Abhängigkeit von dem am Stromregler abgreifbaren Signal zu bestimmen. Weiter ist die Steuerschaltung eingerichtet, den Sollstromwert durch Multiplikation oder Division eines vorgegebenen Sollstromwerts und des Einstellkoeffizienten zu ermitteln.
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In einer Weiterbildung ist die Steuerschaltung ausgelegt, das Tastverhältnis, mit dem der Stromregler betrieben wird, durch Division oder Multiplikation eines vorgegebenen Tastverhältnisses und des Einstellkoeffizienten zu ermitteln. Resultiert der Sollstromwert aus der Multiplikation des Einstellkoeffizienten und des vorgegebenen Sollstromwerts, so ergibt sich das Tastverhältnis aus der Division des vorgegebenen Tastverhältnisses durch den vorgegebenen Einstellkoeffizienten. Wird alternativ der Sollstromwert mittels Division des vorgegebenen Sollstromwerts durch den Einstellkoeffizienten ermittelt, so resultiert das Tastverhältnis aus der Multiplikation des Einstellkoeffizienten und des vorgegebenen Tastverhältnisses. Dadurch wird erreicht, dass das Produkt aus dem Sollstromwert und dem Tastverhältnis gleich dem Produkt aus dem vorgegebenen Sollstromwert und dem vorgegebenen Tastverhältnis ist. Dadurch bleiben ein durchschnittlicher Laststrom konstant und die Helligkeit der LEDs der elektrischen Last annähernd konstant.
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In einer Ausführungsform umfasst die Steuerschaltung einen Fensterkomparator. Dem Fensterkomparator wird eingangsseitig das am Stromregler abgreifbare Signal zugeleitet. Der Fensterkomparator weist zwei Ausgänge aus. Mit dem Fensterkomparator ist feststellbar, ob das am Stromregler abgreifbare Signal unterhalb eines vorgegebenen Signalbereichs, im vorgegebenen Signalbereich oder oberhalb des vorgegebenen Signalbereichs ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die Steuerschaltung einen Aufwärts-/Abwärtszähler. Der Aufwärts-/Abwärtszähler stellt ausgangsseitig den Einstellkoeffizient bereit. Der Aufwärts-/Abwärtszähler ist eingangsseitig mit dem Fensterkomparator gekoppelt. Der Einstellkoeffizient bleibt konstant, wenn das am Stromregler abgreifbare Signal im vorgegebenen Signalbereich liegt. Der Einstellkoeffizient wird erhöht, sofern das am Stromregler abgreifbare Signal oberhalb des vorgegebenen Signalbereichs ist, und verringert, wenn das am Stromregler abgreifbare Signal unterhalb des vorgegebenen Signalbereichs ist.
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Alternativ wird der Einstellkoeffizient verringert, sofern das am Stromregler abgreifbare Signal oberhalb des vorgegebenen Signalbereichs ist, und erhöht, wenn das am Stromregler abgreifbare Signal unterhalb des vorgegebenen Signalbereichs ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die Steuerschaltung eine erste Funktionseinheit, die an einem ersten Eingang mit dem Aufwärts-/Abwärtszähler gekoppelt ist. Der Einstellkoeffizient wird dem ersten Eingang der ersten Funktionseinheit zugeführt. Einem zweiten Eingang der ersten Funktionseinheit wird der vorgegebene Sollstromwert, das heißt ein den vorgegebenen Sollstromwert repräsentierendes Signal, zugeleitet. Ausgangsseitig ist an der ersten Funktionseinheit der Sollstromwert, das heißt ein den Sollstromwert des Stromreglers repräsentierendes Signal, abgreifbar. Die erste Funktionseinheit kann als Multiplizierer oder Dividierer realisiert sein.
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In einer Weiterbildung umfasst die Steuerschaltung eine zweite Funktionseinheit, die an einem ersten Eingang mit dem Aufwärts-/Abwärtszähler gekoppelt ist. Der Einstellkoeffizient wird dem ersten Eingang der zweiten Funktionseinheit zugeführt. Einem zweiten Eingang der zweiten Funktionseinheit wird das vorgegebene Tastverhältnis, das heißt ein das vorgegebene Tastverhältnis repräsentierende Signal zugeführt. Ausgangsseitig ist an der zweiten Funktionseinheit das Tastverhältnis, das heißt ein das Tastverhältnis des Stromreglers repräsentierendes Signal abgreifbar. Der Stromregler wird entsprechend dem ausgangsseitig an der zweiten Funktionseinheit abgreifbaren Tastverhältnis betrieben. Die zweite Funktionseinheit ist zur Durchführung derjenigen mathematischen Operation vorgesehen, welche die inverse Operation zu der von der ersten Funktionseinheit durchgeführten Operation darstellt. Ist die erste Funktionseinheit als Multiplizierer realisiert, so ist die zweite Funktionseinheit als Dividierer ausgebildet. Ist jedoch die erste Funktionseinheit als Dividierer implementiert, so ist die zweite Funktionseinheit als Multiplizierer ausgelegt.
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In einer Weiterbildung umfasst die Steuerschaltung einen Signalgenerator, der eingangsseitig mit der zweiten Funktionseinheit gekoppelt ist und an dem ausgangsseitig ein Taktsignal abgreifbar ist, welches das Tastverhältnis aufweist. Der Signalgenerator ist als Pulsweitenmodulator ausgebildet.
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In einer Ausführungsform umfasst die Treiberschaltung ein Tiefpassfilter, das ausgangseitig mit dem zweiten Eingang der zweiten Funktionseinheit gekoppelt ist. Das Tiefpassfilter wandelt ein das vorgegebene Tastverhältnis repräsentierendes Digitalsignal in einen Digitalwert um.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung ausgelegt, mindestens einen weiteren Stromregler anzusteuern. Der weitere Stromregler ist seriell zur mindestens einen weiteren elektrischen Last koppelbar. Die Steuerschaltung ist ausgelegt, den Sollstromwert des mindestens einen weiteren Stromreglers in Abhängigkeit von einem an dem mindestens einen weiteren Stromregler abgreifbaren Signal zu ermitteln. Die Ermittlung von mindestens zwei Sollstromwerten kann an mindestens zwei Zeitpunkten in der Betriebsphase durchgeführt werden. Bevorzugt wird die Ermittlung an den mindestens zwei Zeitpunkten in der Betriebsphase ermittelt. Mit Vorteil kann die Steuereinheit somit mehrere Stromregler steuern und somit die Effizienz der gesamten Anordnung erhöhen.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung ausgelegt, die Tastverhältnisse und die Sollstromwerte des Stromreglers und des mindestens einen weiteren Stromreglers derart einzustellen, dass eine Lastspannung über der Last und mindestens eine weitere Lastspannung über der mindestens einen weiteren Last näherungsweise den gleichen Wert aufweisen. Bei übereinstimmenden Lastspannungen sind ebenfalls die über dem Stromregler und dem mindestens einen weiteren Stromregler abfallenden Stromreglerspannungen gleich. Die Versorgungsspannung ist die Summe aus der Lastspannung und der Stromreglerspannung und ebenso die Summe aus der mindestens einen weiteren Lastspannung und der mindestens einen weiteren Stromreglerspannung. Die Steuerschaltung dient dem dynamischen Ausgleich der verschiedenen elektrischen Lasten.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerspannung ausgelegt, die Tastverhältnisse und die Sollstromwerte des Stromreglers und des mindestens einen weiteren Stromreglers derart einzustellen, dass das Produkt aus dem Tastverhältnis und dem Sollstromwert einem Vorgabewert für den jeweiligen Stromregler entspricht. Der Vorgabewert für das Produkt des Stromreglers kann gleich dem Vorgabewert für das Produkt des mindestens einen weiteren Stromreglers sein. Alternativ können die Vorgabewerte für den Stromregler und für den mindestens einen weiteren Stromregler unterschiedlich sein. Somit ist erzielbar, dass die in den verschiedenen elektrischen Lasten umgesetzte Leistung unterschiedlich und beispielsweise die Helligkeit von Leuchtdioden in den verschiedenen elektrischen Lasten verschieden ist.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerspannung ausgelegt, die Tastverhältnisse und die Sollstromwerte des Stromreglers und des mindestens einen weiteren Stromreglers derart einzustellen, dass mindestens einer der Sollstromwerte von einem vorgegebenen Sollstromwert abweicht.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerspannung ausgelegt, die Tastverhältnisse und die Sollstromwerte des Stromreglers und des mindestens einen weiteren Stromreglers derart einzustellen, dass mindestens eines der Tastverhältnisse von einem vorgegebenen Tastverhältnis abweicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerspannung derart ausgelegt, dass mindestens eines der Tastverhältnisse 100% ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die Treiberschaltung den Stromregler. Der Stromregler kann als Stromquelle oder Stromsenke realisiert sein. Der Stromregler ist an einem Steuereingang mit einem Steuerausgang der Steuerschaltung verbunden. Die Treiberschaltung kann den mindestens einen weiteren Stromregler aufweisen. Ein Steuereingang des mindestens einen weiteren Stromreglers ist an mindestens einen weiteren Steuerausgang der Steuerschaltung angeschlossen.
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In einer Weiterbildung umfasst die Treiberschaltung den Spannungswandler. Der Spannungswandler kann als Gleichspannungswandler realisiert sein. Der Spannungswandler kann als Abwärts-, Aufwärts- oder Aufwärts-/Abwärts-Wandler implementiert sein. An einem Spannungswandlerausgang des Spannungswandlers ist die Versorgungsspannung abgreifbar. Eine Serienschaltung, umfassend den Stromregler und die elektrische Last, koppelt den Spannungswandlerausgang mit einem Bezugspotenzialanschluss. Ebenfalls koppelt mindestens eine weitere Serienschaltung, umfassend die mindestens eine weitere elektrische Last und den mindestens einen weiteren Stromregler, den Spannungswandlerausgang mit dem Bezugspotenzialanschluss.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Halbleiterkörper die Treiberschaltung. Die Treiberschaltung ist auf einer ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers integriert. Die Treiberschaltung ist auf einem Halbleiterkörper, beispielsweise auf genau einem Halbleiterkörper, implementiert.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Beleuchtungsanordnung die Treiberschaltung und die elektrische Last. Die elektrische Last umfasst mindestens eine Leuchtdiode.
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In einer Ausführungsform ist die Beleuchtungsanordnung als Rückseitenbeleuchtung in einem Gerät der Mobilfunkkommunikation oder einem Tablet-Computer integriert. Die Beleuchtungsanordnung kann bei großen Bildschirmen eingesetzt sein.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Treiben einer elektrischen Last ein Abgreifen eines Signals an einem Stromregler, der seriell zur elektrischen Last angeordnet ist. Mindestens zwei Sollstromwerte des Stromreglerstroms des Stromreglers werden an mindestens zwei Zeitpunkten in einer Betriebsphase in Abhängigkeit von dem an dem Stromregler abgreifbaren Signal derart ermittelt, dass eine über der elektrischen Last und dem Stromregler abfallende Versorgungsspannung reduziert wird. Die Sollstromwerte werden am Stromregler eingestellt.
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Mit Vorteil ist der Sollstromwert variabel und kann signalabhängig eingestellt werden. Somit lassen sich die an der elektrischen Last abfallende Lastspannung und/oder die über dem Stromregler abfallende Stromreglerspannung verringern und die Effizienz erhöhen.
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Die Erfindung wird im Folgenden an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Komponenten oder Funktionseinheiten tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Komponenten oder Funktionseinheiten in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt. Es zeigen:
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1A bis 1D beispielhafte Ausführungsformen einer Beleuchtungsanordnung mit einer Treiberschaltung nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
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2 eine beispielhafte Ausführungsform einer Steuerschaltung und eines Stromreglers nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Beleuchtungsanordnung 10 nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Beleuchtungsanordnung 10 umfasst eine Treiberschaltung 11. Die Treiberschaltung 11 umfasst eine Steuerschaltung 12 sowie einen Stromregler 13, die eingangsseitig an die Steuerschaltung 12 angeschlossen ist. Weiter weist die Beleuchtungsanordnung 10 eine elektrische Last 14 auf, die seriell zum Stromregler 13 angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst die Beleuchtungsanordnung 10 einen Spannungswandler 15. Eine Serienschaltung, umfassend den Stromregler 13 und die elektrische Last 14, ist zwischen einem Spannungswandlerausgang 16 und einem Bezugspotenzialanschluss 17 angeordnet. Dabei ist der Stromregler 13 an den Bezugspotenzialanschluss 17 sowie die elektrische Last 14 an den Spannungswandlerausgang 16 angeschlossen. Die elektrische Last 14 umfasst eine erste, zweite und dritte Leuchtdiode 18, 19, 20, die seriell zueinander angeordnet sind. Ein Rückkopplungsausgang der Treiberschaltung 11 ist mit einem Rückkopplungseingang 22 des Spannungswandlers 15 gekoppelt.
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Der Stromregler 13 umfasst einen Schalter 23 und eine Stromquelle 24, die seriell zueinander angeordnet sind. Ein erster Steuerausgang 25 der Steuerschaltung 12 ist an einen Steueranschluss der Stromquelle 24 angeschlossen. Entsprechend ist ein zweiter Steuerausgang 26 der Steuerschaltung 12 an einen Steueranschluss des Schalters 23 angeschlossen. Ein Lastanschluss 27 ist zwischen der elektrischen Last 14 und dem Stromregler 13 angeordnet. Der Lastanschluss 27 ist mit einem Steuereingang 28 der Steuerschaltung 12 verbunden. Weiter weist die Treiberschaltung 11 einen Vergleicher 29 auf. An einen ersten Eingang des Vergleichers 29 ist eine Referenzspannungsquelle 30 angeschlossen. Ein zweiter Eingang des Vergleichers 29 ist mit dem Lastanschluss 27 gekoppelt. Ferner umfasst die Treiberschaltung 11 einen Auswahlblock 31, der eingangsseitig mit dem Lastanschluss 27 gekoppelt ist. Ausgangsseitig ist der Auswahlblock 31 mit dem zweiten Eingang des Vergleichers 29 verbunden. Ein Ausgang des Vergleichers 29 ist an den Rückkopplungsausgang angeschlossen.
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Der Spannungswandler 15 ist als Aufwärtswandler realisiert. Der Spannungswandler 15 weist einen ersten und einen zweiten Spannungswandlerschalter 32, 33 sowie eine Induktivität 34 auf. Ein Eingang des Spannungswandlers 15 ist über die Induktivität 34 und den ersten Spannungswandlerschalter 32 mit dem Bezugspotenzialanschluss 17 verbunden. Ein Knoten zwischen der Induktivität 34 und dem ersten Spannungswandlerschalter 32 ist über den zweiten Spannungswandlerschalter 33 mit dem Spannungswandlerausgang 16 gekoppelt. Ein Ausgangskondensator 35 verbindet den Spannungswandlerausgang 16 mit dem Bezugspotenzialanschluss 17. Ein Eingangskondensator 60 koppelt den Eingang des Spannungswandlers 15 mit dem Bezugspotenzialanschluss 17.
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Darüber hinaus umfasst die Treiberschaltung 11 einen weiteren Stromregler 36, der eingangsseitig mit der Steuerschaltung 12 gekoppelt ist. Ferner umfasst die Beleuchtungsanordnung 10 eine weitere elektrische Last 37, die seriell zum weiteren Stromregler 36 angeordnet ist. Eine Serienschaltung, umfassend die weitere elektrische Last 37 und den weiteren Stromregler 36, koppelt den Spannungswandlerausgang 16 mit dem Bezugspotenzialanschluss 17. Dabei ist die weitere elektrische Last 37 an den Spannungswandlerausgang 16 und der weitere Stromregler 36 an den Bezugspotenzialanschluss 17 angeschlossen. Die weitere elektrische Last 37 umfasst weitere Leuchtdioden 38, 39, 40. Der weitere Stromregler 36 umfasst einen weiteren Schalter 41 und eine weitere Stromquelle 42, die seriell zueinander angeordnet sind. Ein weiterer erster Steuerausgang 25' der Steuerschaltung 12 ist an einen Steuereingang der weiteren Stromquelle 42 angeschlossen. Entsprechend ist ein weiterer zweiter Steuerausgang 26' der Steuerschaltung 12 an einen Steuereingang des weiteren Schalters 41 angeschlossen. Ein weiterer Lastanschluss 45 ist zwischen der weiteren elektrischen Last 37 und dem weiteren Stromregler 36 angeordnet. Der weitere Lastanschluss 45 ist mit einem weiteren Eingang des Auswahlblocks 31 verbunden. Der Auswahlblock 31 ist als Minimum-Detektor ausgebildet. Der weitere Lastanschluss 45 ist mit einem weiteren Steuereingang 28' der Steuerschaltung 12 verbunden.
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Weiter umfasst die Treiberschaltung 11 einen zusätzlichen Stromregler 47, der eingangsseitig mit der Steuerschaltung 12 gekoppelt ist. Ferner umfasst die Beleuchtungsanordnung 10 eine zusätzliche elektrische Last 48, die seriell zum zusätzlichen Stromregler 47 angeordnet ist. Eine Serienschaltung, umfassend die zusätzliche elektrische Last 48 und den zusätzlichen Stromregler 47, koppelt den Spannungswandlerausgang 16 mit dem Bezugspotenzialanschluss 17. Die zusätzliche elektrische Last 48 umfasst zusätzliche Leuchtdioden 49, 50, 51. Der zusätzliche Stromregler 47 umfasst einen zusätzlichen Schalter 52 und eine zusätzliche Stromquelle 53, die seriell zueinander angeordnet sind. Ein zusätzlicher erster Steuerausgang 25'' der Steuerschaltung 12 ist an einen Steuereingang der zusätzlichen Stromquelle 53 angeschlossen. Entsprechend ist ein zusätzlicher zweiter Steuerausgang 26' an einen Steuereingang des zusätzlichen Schalters 52 angeschlossen. Ein zusätzlicher Lastanschluss 56 ist zwischen der zusätzlichen elektrischen Last 48 und dem zusätzlichen Stromregler 47 angeordnet. Der zusätzliche Lastanschluss 56 ist mit einem zusätzlichen Eingang des Auswahlblocks 31 verbunden. Weiter ist der zusätzliche Lastanschluss 56 mit einem zusätzlichen Steuereingang 28'' der Steuerschaltung 12 verbunden.
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Dem Eingang des Spannungswandlers 15 wird eine Eingangsspannung VIN zugeleitet. Die Eingangsspannung VIN fällt über dem Eingangskondensator 60 ab. Der Spannungswandler 15 wandelt die Eingangsspannung VIN in eine Versorgungsspannung VDC um, die am Spannungswandlerausgang 16 abgreifbar ist. Die Versorgungsspannung VDC fällt zwischen dem Spannungswandlerausgang 16 und dem Bezugspotenzialanschluss 17 ab. Die Versorgungsspannung VDC fällt somit über der Serienschaltung, umfassend der Stromregler 13 und die elektrische Last 14, ab. Ebenfalls fällt die Versorgungsspannung VDC über eine weitere Serienschaltung, umfassend den weiteren Stromregler 36 und die weitere elektrische Last 37 ab. Ferner fällt die Versorgungsspannung VDC über der zusätzlichen elektrischen Last 48 und dem zusätzlichen Stromregler 47 ab. Der Spannungswandler 15 stellt an seinem Spannungswandlerausgang 16 einen Spannungswandlerstrom IDC bereit, der sich in Teilströme aufteilt, die durch die elektrischen Lasten 14, 37, 48 fließen.
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Ein Stromreglerstrom IS1 fließt durch die elektrische Last 14 und den Stromregler 13. Der Stromregler 13 stellt den Stromreglerstrom IS1 ein. Entsprechend stellt der weitere Stromregler 36 einen weiteren Stromreglerstrom IS2 ein. Der weitere Stromreglerstrom IS2 fließt durch die weitere elektrische Last 37 und den weiteren Stromregler 36. Weiter stellt der zusätzliche Stromregler 47 einen zusätzlichen Stromreglerstrom IS3 ein. Der zusätzliche Stromreglerstrom IS3 fließt durch die zusätzliche elektrische Last 48 und den zusätzlichen Stromregler 47. Somit gilt für den Wert eines vom Spannungswandler 15 bereitgestellten Spannungswandlerstrom IDC: IDC = Σ N / i = 1ISi = IS1 + IS2 + IS3
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Über dem Stromregler 13 fällt eine Stromreglerspannung VS1 ab. Entsprechend fällt über dem weiteren Stromregler 36 eine weitere Stromreglerspannung VS2 und über dem zusätzlichen Stromregler 47 eine zusätzliche Stromreglerspannung VS3 ab. Über der elektrischen Last 14 fällt eine Lastspannung VL1 ab. Entsprechend fällt über der weiteren elektrischen Last 37 eine weitere Lastspannung VL2 und über der zusätzlichen elektrischen Last 48 eine zusätzliche Lastspannung VL3 ab. Für den Wert der Versorgungsspannung VDC gilt folgende Gleichung: VDC = VL1 + VS1 = VL2 + VS2 = VL3 + VS3
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Die Stromreglerspannung VS1, die weitere Stromreglerspannung VS2 und die zusätzliche Stromreglerspannung VS3 werden den Eingängen des Auswahlblocks 31 zugeleitet. Der Auswahlblock 31 wählt diejenige Spannung an seinem Eingang aus, welche den kleinsten Wert aufweist. Der Auswahlblock 31 stellt ausgangsseitig die kleinste Spannung bereit, die an einem seiner Eingänge ihm zugeleitet wird. Das am Ausgang des Auswahlblocks 31 abgreifbare ausgewählte Signal VMIN wird dem zweiten Eingang des Vergleichers 29 zugeleitet. Die Referenzspannungsquelle 30 stellt einen Sollspannungswert VMS bereit, der dem ersten Eingang des Vergleichers 29 zugeführt wird. Der Sollspannungswert VMS entspricht dem minimalen Spannungswert, den einer der drei Stromregler 13, 36, 47 für einen Betrieb benötigt. Am Ausgang des Vergleichers 29 ist ein Rückkopplungssignal SFB bereitgestellt, das über den Rückkopplungsausgang der Treiberschaltung 11 dem Rückkopplungseingang 22 des Spannungswandlers 15 zugeleitet wird. Entsprechend dem Rückkopplungssignal SFB steuert eine nicht gezeigte Steuerschaltung des Spannungswandlers 15 den Spannungswandler 15. Der Vergleicher 29 ist als Komparator realisiert. Alternativ ist der Vergleicher 29 als Operationsverstärker, Transkonduktanzverstärker oder Differenzverstärker ausgebildet. Meist wird ein Transkonduktanzverstärker verwendet. Ist das ausgewählte Signal VMIN kleiner als der Sollspannungswert VMS, so wird der Spannungswandler 15 derart eingestellt, dass die Versorgungsspannung VDC erhöht wird. Ist jedoch der Sollspannungswert VMS kleiner als das ausgewählte Signal VMIN, so wird der Spannungswandler 15 derart gesteuert, dass die Versorgungsspannung VDC reduziert wird.
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Die Stromreglerspannung VS1 wird dem Steuereingang 28 zugeleitet. Entsprechend werden die weitere Stromreglerspannung VS2 und die zusätzliche Stromreglerspannung VS3 dem weiteren und dem zusätzlichen Steuereingang 28', 28'' zugeführt. Die Steuerschaltung 12 weist einen Prozessor auf. Der Prozessor kann als Mikroprozessor oder Mikrocontroller oder als analoge/digitale Schaltung realisiert sein. Einem ersten Setzeingang 58 der Steuerschaltung 12 wird ein erstes Einstellsignal ISET zugeleitet, das einen vorgegebenen Sollstromwert repräsentiert. Entsprechend wird einem zweiten Setzeingang 59 der Steuerschaltung 12 ein zweites Einstellsignal PWM zugeleitet, das ein vorgegebenes Tastverhältnis repräsentiert.
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Die Steuerschaltung 12 stellt am ersten Steuerausgang 25 einen Sollstromwert SW1 bereit, der dem Steuereingang der Stromquelle 24 zugeleitet wird. Entsprechend gibt die Steuerschaltung 12 über den zweiten Steuerausgang 26 ein Taktsignal ST1 ab, welches dem Steuereingang des Schalters 23 zugeführt wird. Die Steuerschaltung 12 stellt am weiteren ersten Steuerausgang 25 einen weiteren Sollstromwert SW2 bereit, der dem Steuereingang der weiteren Stromquelle 42 zugeleitet wird. Weiter gibt die Steuerschaltung 12 über den weiteren zweiten Steuerausgang 26' ein weiteres Taktsignal ST2 ab, welches dem Steuereingang des weiteren Schalters 41 zugeführt wird. Ähnlich generiert die Steuerschaltung 12 einen zusätzlichen Sollstromwert SW3 zur Zuleitung an den Steuereingang der zusätzlichen Stromquelle 53 über den zusätzlichen ersten Steuerausgang 25'' und ein zusätzliches Taktsignal ST3 zur Zuführung an den Steuereingang des zusätzlichen Schalters 52 über den zusätzlichen zweiten Steuerausgang 26'' Die Steuerschaltung 12 ermittelt den Sollstromwert SW1 in Abhängigkeit von der Stromreglerspannung VS1 und dem vorgegebenen Sollstromwert ISET. Zusätzlich kann der Sollstromwert SW1 vom vorgegebenen Tastverhältnis PWM abhängen. Ferner kann der Sollstromwert SW1 von den Stromreglerspannungen VS2, VS3 der weiteren Stromregler 36, 47, also somit von der weiteren Stromreglerspannung VS2 und der zusätzlichen Stromreglerspannung VS3 abhängen. Entsprechendes gilt für den weiteren und den zusätzlichen Sollstromwert SW2, SW3. Die Steuerschaltung 12 stellt den Sollstromwert SW1, den weiteren Sollstromwert SW2 sowie den zusätzlichen Sollstromwert SW3 derart ein, dass die Stromreglerspannungen, also somit die Stromreglerspannung VS1, die weitere Stromreglerspannung VS2 und die zusätzliche Stromreglerspannung VS3 übereinstimmen. Weiter stellt die Steuerschaltung 12 ein Tastverhältnis TV1 des Taktsignals ST1, ein weiteres Tastverhältnis TV2 des weiteren Taktsignals ST2 und ein zusätzliches Tastverhältnis TV3 des zusätzlichen Taktsignals ST3 derart ein, dass das Produkt aus dem Sollstromwert und dem Tastverhältnis des jeweiligen Stromreglers gleich dem Produkt aus dem vorgegebenen Sollstromwert ISET und dem vorgegebenen Tastverhältnis PWM ist. Somit gilt: ISET·PWM = SW1·TV1 = SW2·TV2 = SW3·TV3
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Die Steuerschaltung 12 ist zur dynamischen Einstellung des Sollstromwerts SW1 und des Tastverhältnisses TV1 ausgelegt. Der Sollstromwert SW1, der weitere Sollstromwert SW2 und der zusätzliche Sollstromwert sowie das Tastverhältnis TV1, das weitere Tastverhältnis TV2 und das zusätzliche Tastverhältnis TV3 sind derart eingestellt, dass die Lastspannung, die weitere Lastspannung VL2 und die zusätzliche Lastspannung VL3 denselben Wert annehmen.
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Die verschiedenen Lasten 14, 37, 47 können unausgeglichen, englisch unbalanced, sein und unterschiedliche Vorwärtsspannungen benötigen, damit sie den gleichen Laststromwert aufweisen. Würden die Sollstromwerte SW1, SW2, SW3 auf denselben Wert eingestellt, so wäre bei einer der elektrischen Lasten 14, 37, 48 die Lastspannung VL1, VL2, VL3 am größten. Gemäß den in 1A beispielhaft angegebenen Zahlenwerten wäre die Lastspannung VL1 größer als die zusätzliche Lastspannung VL3 und diese wiederum größer als die weitere Lastspannung VL2. Um einen möglichst niedrigen Wert für die Versorgungsspannung VDC zu erzielen, wird das Tastverhältnis TV1 des Stromreglers 13 erhöht und der Sollstromwert SW1 des Stromreglers 13 verringert. Durch die Verringerung des Sollstromwerts SW1 sinkt die über der elektrischen Last 14 abfallende Lastspannung VL1. Somit kann der Wert der Ausgangsspannung VDC ebenfalls reduziert werden. Hingegen ist bei der weiteren elektrischen Last 37 ein geringerer Wert für die weitere Lastspannung VL2 ausreichend, damit der eben genannte Laststromwert erzielt wird. Um die weitere elektrische Last 37 mit derselben Lastspannung VL2 zu betreiben wie die elektrische Last 14, wird daher das weitere Tastverhältnis TV2 reduziert und der weitere Sollstromwert SW2 erhöht.
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Mittels der Rückkopplung der Stromreglerspannungen VS1, VS2, VS3 über den Auswahlblock 31 und den Vergleicher 29 wird erzielt, dass die Stromreglerspannungen VS1, VS2, VS3 den Sollspannungswert VMS annehmen. Die Treiberschaltung 11 ist dazu eingerichtet, alle Stromreglerspannungen VS1, VS2, VS3 auf den minimalen Wert, nämlich den Sollspannungswert VMS, einzustellen. Somit wird bei keiner elektrischen Last überschüssige Spannung im jeweiligen Stromregler abgebaut. Der durchschnittliche Laststrom AVC ist gleich. Der durchschnittliche Strom AVC lässt sich gemäß folgender Gleichung berechnen: AVC = SW1·TV1 = SW2·TV2 = SW3·TV3
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Laut dem in 1A gezeigten Beispiel beträgt der Sollspannungswert VMS 0,5 V, das vorgegebene Tastverhältnis PWM 50% und der vorgegebene Sollstromwert ISET 20 mA, Daraus resultiert ein durchschnittlicher Stromwert AVC bei allen drei Lasten 14, 37, 47 von 10 mA. Der Sollstromwert SW1 liegt unter dem vorgegebenen Sollstromwert ISET, während der weitere Sollstromwert SW2 über dem vorgegebenen Sollstromwert ISET ist. Umgekehrt sind das Tastverhältnis TV1 über dem vorgegebenen Tastverhältnis PWM und das weitere Tastverhältnis TV2 unter dem vorgegebenen Tastverhältnis PWM. Da im Beispiel gemäß 1A die elektrische Last 14 die höchste Vorwärtsspannung aufweist, wird automatisch und selbsttätig von der Steuerschaltung 12 der Sollstromwert SW1 reduziert, so dass die Versorgungsspannung VDC gesenkt werden kann. Dieselbe Helligkeit kann bei niedrigerem Leistungsverbrauch mittels der Leuchtdioden 18, 19, 20 abgegeben werden.
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In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsanordnung 10 mehr als drei elektrische Lasten sowie mehr als drei Stromregler. Alternativ kann die Beleuchtungsanordnung ausschließlich zwei elektrische Lasten 14, 37 und zwei Stromregler 13, 36 aufweisen. Die zusätzliche elektrische Last 48 und der zusätzliche Stromregler 47 können in dieser Ausführungsform weggelassen werden.
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In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform sind die Stromregler 13, 36, 47 an den Spannungswandlerausgang 16 und die elektrischen Lasten 14, 37, 48 an den Bezugspotenzialanschluss 17 angeschlossen.
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In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform ist der Spannungswandler 15 als Abwärts- oder Aufwärts-Abwärts-Wandler implementiert. Alternativ kann der Spannungswandler 15 als Ladungspumpe realisiert sein.
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In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform werden mehr oder weniger als die beispielhaft gezeigten drei LEDs pro Last verwendet.
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1B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Beleuchtungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die eine Weiterbildung der in 1A gezeigten Ausführungsform ist. Die Steuerschaltung 12 weist in 1B alternative Verfahrensschritte verglichen mit der Steuerschaltung 12 aus 1A auf. Die Steuerschaltung 12 ist ausgelegt, mindestens ein Tastverhältnis auf 100% einzustellen. Würden die Sollstromwerte SW1, SW2, SW3 aller Stromregler 13, 36, 47 auf denselben Wert eingestellt, so wäre eine der drei Lastspannungen VL1, VL2, VL3 am größten. Bei dem zu dieser elektrischen Last gehörenden Stromregler wird das Tastverhältnis auf 100% eingestellt. Im Beispiel gemäß 1B sind dies die elektrische Last 14 und der Stromregler 13. Der Sollstromwert SW1 des Stromreglers 13, welcher auf ein Tastverhältnis TV1 von 100% von der Steuerschaltung 12 eingestellt wird, wird gemäß folgender Gleichung berechnet: SW1 = ISET·PWM
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Aufgrund der Charakteristik der elektrischen Last, in diesem Fall der elektrischen Last 14, ergibt sich bei dem so ermittelten Sollstromwert SW1 beispielsweise ein Wert von 9,5 V für die Lastspannung VL1. Die Stromreglerspannungen VS1, VS2, VS3 weisen bei allen drei Stromreglern 13, 36, 47 den Sollspannungswert VMS von beispielsweise 0,5 V auf. Da die drei Stromreglerspannungen VS1, VS2, VS3 den identischen Wert aufweisen, weisen ebenfalls die Lastspannungen VL1, VL2, VL3 denselben Wert, in diesem Beispiel 9,5 V, auf. Daraus resultiert ein Wert von 10 V für die Versorgungsspannung VDC. Aufgrund der Charakteristik der weiteren elektrischen Last 37 ergibt sich der weitere Sollstromwert SW2 bei der weiteren Lastspannung VL2, in diesem Beispiel 15 mA. Aufgrund des über der zusätzlichen elektrischen Last 47 abfallenden Lastspannung VL2, in diesem Beispiel 9,5 V, und der Stromspannungs-Charakteristik der zusätzlichen elektrischen Last 47 stellt die Steuerschaltung 12 den zusätzlichen Sollstromwert SW3 ein. In diesem Beispiel trägt der zusätzliche Sollstromwert SW3 12,5 mA. Das weitere Tastverhältnis TV2 und das zusätzliche Tastverhältnis TV3 werden von der Steuerschaltung 12 gemäß folgenden Gleichungen berechnet: TV2 = ISET·PWM / SW2 = SW1 / SW2 TV3 = ISET·PWM / SW3 = SW1 / SW3
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Gemäß 1B wird somit das Tastverhältnis bei einer der elektrischen Lasten 14, 37, 48 auf 100% erhöht, sodass eine der elektrischen Lasten 14, 37, 48 konstant eingeschaltet ist. Da der Spitzenstrom durch die elektrische Last 14 nun reduziert ist, wobei der durchschnittliche Stromwert AVC aufgrund der Erhöhung des entsprechenden Tastverhältnisses TV1 weiter identisch ist, ist die Lastspannung VL1 in diesem Zweig weiter reduziert. Beispielsweise kann ein dem Spannungswandler 15 zugeführter Strom in einer Anordnung 10 gemäß 1B 5% niedriger als ein Strom sein, der in der Anordnung in 1A dem Spannungswandler 15 zugeführt wird.
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In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform stellt die Steuerschaltung 12 mehr als ein Tastverhältnis auf 100% ein. Die Steuerschaltung 12 kann auch alle Tastverhältnisse TV1, TV2, TV3 auf 100% einstellen. In diesem Fall sind die Sollstromwerte SW1, SW2, SW3 identisch und können gemäß folgender Gleichung berechnet werden: SW1 = SW2 = SW3 = ISET·PWM
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Dies führt zu verschiedenen Werten für die Stromreglerspannungen VS1, VS2, VS3. Der Wert der Versorgungsspannung VDC erhöht sich leicht. Mit Vorteil ist jedoch eine derartige Steuerschaltung 12 bereits mit sehr geringem Aufwand realisierbar. Dadurch dass die Tastverhältnisse TV1, TV2, TV3 höher als das vorgegebene Tastverhältnis PWM sind, wird die Effizienz verbessert.
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In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsanordnung 10 ausschließlich eine elektrische Last 14 und einen Stromregler 13. Die weitere und die zusätzliche elektrische Last 37, 48 und der weitere und der zusätzliche Stromregler 36, 47 können in dieser Ausführungsform weggelassen werden. Das Tastverhältnis TV1 und der Sollstromwert SW1 werden dabei wie folgt eingestellt: TV1 = 100% und SW1 = ISET·PWM
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1C zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Beleuchtungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die eine Weiterbildung der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsformen ist. Die Steuerschaltung 12 ist dabei ausgelegt, ein Verfahren durchzuführen, welches eine Weiterbildung der in 1A und 1B erläuterten Verfahren ist. Die Steuerschaltung 12 ist ausgelegt, in einer ersten Betriebsphase die Sollstromwerte SW1, SW2, SW3 auf den vorgegebenen Sollstromwert ISET einzustellen. Die Stromreglerspannungen VS1, VS2, VS3 werden der Steuerschaltung 12 zugeführt. Bei einem der drei Stromregler 13, 36, 47 tritt der niedrigste Wert der Stromreglerspannungen VS1, VS2, VS3 auf. Im in 1C gezeigten Beispiel ist dies der Stromregler 13. Beim Stromregler 13 stellt die Steuerschaltung 12 in einer zweiten Betriebsphase den Sollstromwert SW1 auf den vorgegebenen Sollstromwert ISET und das Tastverhältnis TV1 auf das vorgegebene Tastverhältnis PWM ein. Das vorgegebene Tastverhältnis PWM beträgt 100%.
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Die Steuerschaltung 12 ist ausgelegt, in der zweiten Betriebsphase den Sollstromwert SW2 des weiteren Stromreglers 36 derart zu reduzieren, dass die weitere Stromreglerspannung VS2 des weiteren Stromreglers 36 der Stromreglerspannung VS1 des Stromreglers 13 entspricht. Mittels Steuern des Spannungswandlers 15 wird die Stromreglerspannung VS1 in der zweiten Betriebsphase auf den Sollspannungswert VMS eingestellt. Daher nimmt ebenfalls die weitere Stromreglerspannung VS2 den Sollspannungswert VMS an. Entsprechend bestimmt die Steuerschaltung 12 den zusätzlichen Sollstromwert SW3, bei dem die zusätzliche Stromreglerspannung VS3 gleich den anderen Stromreglerspannungen VS1, VS2 und folglich identisch mit dem Sollspannungswert VMS wird. Die Steuerschaltung 12 ist ausgelegt, anhand des so festgestellten weiteren Sollstromwerts SW2 und des zusätzlichen Sollstromwert SW3 das weitere und das zusätzliche Tastverhältnis TV2, TV3 gemäß folgender Gleichung zu ermitteln: TV2 = ISET·PWM / SW2 = ISET·100% / SW2 TV3 = ISET·PWM / SW3 = ISET·100% / SW3
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Folglich stellt die Steuerschaltung 12 mindestens eines der Tastverhältnisse, in diesem Fall das weitere und das zusätzliche Tastverhältnis TV2, TV3, niedriger als das vorgegebene Tastverhältnis PWM ein. Weiter stellt die Steuerschaltung 12 mindestens eines der Sollstromwerte, in diesem Fall den weiteren und den zusätzlichen Sollstromwert SW2, SW3, höher als den vorgegebenen Sollstromwert ISET ein.
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Der vorgegebene durchschnittliche Stromwert PWM·ISET lässt sich bei allen drei elektrischen Lasten 14, 37, 48 erzielen, wobei sowohl die Sollstromwerte SW1, SW2, SW3 wie auch die Tastverhältnisse TV1, TV2, TV3 derart angepasst werden, dass die Versorgungsspannung VDC reduziert wird. Mit Vorteil wird dadurch die in den Stromreglern 13, 36, 47 anfallende Leistung reduziert. Häufig existiert eine Temperaturgrenze und werden die Stromregler auf einem Halbleiterkörper integriert oder unter Verwendung von externen Leistungstransistoren realisiert. Der geringere Leistungsverbrauch kann dazu führen, dass die Anforderungen hinsichtlich der Wärmeabfuhr geringer sind und eine kleine Bauform des Gehäuses ausreichend ist.
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1D zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Beleuchtungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die eine Weiterbildung der in den 1A bis 1C gezeigten Beleuchtungsanordnungen ist. Die Steuerschaltung 12 weist einen Steuerblock 69 mit einem Aufwärts-/Abwärtszähler 70 auf, der eingangsseitig mit dem Lastanschluss 27 gekoppelt ist. Weiter koppelt ein Fensterkomparator 71 des Steuerblocks 69 den Lastanschluss 27 mit dem Aufwärts-/Abwärtszähler 70. Der Fensterkomparator 71 weist einen ersten und einen zweiten Komparator 72, 73 auf, deren Ausgänge jeweils mit einem Eingang des Aufwärts-/Abwärtszählers 70 verbunden sind. Ein erster Eingang des ersten Komparators 42 ist mit dem Spannungsabgriffknoten 27 verbunden. Ein zweiter Eingang des ersten Komparators 72 ist an eine erste Referenzspannungsquelle 74 angeschlossen. Ein erster Eingang des zweiten Komparators 73 ist an eine zweite Referenzspannungsquelle 75 angeschlossen. Ein zweiter Eingang des zweiten Komparators 73 ist mit dem Lastanschluss 27 gekoppelt.
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Der Steuerblock 69 umfasst eine erste Funktionseinheit 76, die an einem ersten Eingang mit einem Ausgang des Aufwärts-/Abwärtszählers 70 verbunden ist. Ein zweiter Eingang der ersten Funktionseinheit 76 ist mit dem ersten Setzeingang 58 gekoppelt. Ein Ausgang der ersten Funktionseinheit 76 ist über den ersten Steuerausgang 25 mit dem Steuereingang der Stromquelle 24 verbunden. Die erste Funktionseinheit 76 ist als Dividierer realisiert.
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Darüber hinaus weist der Steuerblock 69 eine zweite Funktionseinheit 77 auf, die an einem ersten Eingang an den Ausgang des Aufwärts-/Abwärtszählers 70 angeschlossen ist. Ein zweiter Eingang der zweiten Funktionseinheit 77 ist mit dem zweiten Setzeingang 59 gekoppelt. Ein Tiefpassfilter 79, 79', 79' ist zwischen dem zweiten Setzeingang 59 und dem zweiten Eingang der zweiten Funktionseinheit 77 angeordnet. Das Tiefpassfilter 79, 79', 79'' ist n-ter Ordnung und in der Zeichnung als eine Serienschaltung dreier Einzelstufen 79, 79', 79'' des Filters ausgeführt. Das Tiefpassfilter 79 weist zwei Puffer 80, 81, ein Summierglied 82 sowie ein Verzögerungsglied 83 auf. Ein Ausgang der zweiten Funktionseinheit 77 ist über den zweiten Steuerausgang 26 mit dem Steueranschluss des Schalters 23 verbunden. zwischen dem Ausgang der zweiten Funktionseinheit 77 und dem zweiten Steuerausgang 26 ist ein Signalgenerator 78 des Steuerblocks 69 angeordnet. Die zweite Funktionseinheit 77 ist als Multiplizierer implementiert.
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Die erste und die zweite Funktionseinheit 76, 77 sind als Digitalschaltungen realisiert. Die erste und die zweite Funktionseinheit 76, 77 sind als kombinatorische Logik implementiert. Darüber hinaus umfasst der Steuerblock 69 eine Begrenzungseinheit 84. Die Begrenzungseinheit 84 ist zwischen dem Ausgang der zweiten Funktionseinheit 77 und einem weiteren Eingang des Aufwärts-/Abwärtszählers 70 angeordnet. Weiter ist die Begrenzungseinheit 84 eingangsseitig mit dem Ausgang der ersten Funktionseinheit 76 verbunden.
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Darüber hinaus umfasst die Steuerschaltung 12 einen weiteren Steuerblock 85, der wie der Steuerblock 69 realisiert ist. Der weitere Steuerblock 85 ist eingangsseitig an den weiteren Lastanschluss 45 und ausgangsseitig an die Steueranschlüsse der weiteren Stromquelle 42 und des weiteren Schalters 41 angeschlossen. Ferner umfasst die Steuerschaltung 12 einen zusätzlichen Steuerblock 86, der entsprechend eingangsseitig an den zusätzlichen Lastanschluss 56 und ausgangsseitig an die Steuereingänge des zusätzlichen Schalters 52 und der zusätzlichen Stromquelle 53 angeschlossen ist. Ferner umfasst die Steuerschaltung 12 eine Koordinationsschaltung 87, die eingangsseitig an den Steuerblock 69, den weiteren Steuerblock 85 und den zusätzlichen Steuerblock 86 und ausgangsseitig an den Aufwärts-/Abwärtszähler 70 der drei Steuerblöcke 69, 85, 86 angeschlossen ist.
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Die erste Referenzspannungsquelle 74 stellt eine obere Referenzspannung VU bereit. Die zweite Referenzspannungsquelle 75 stellt eine untere Referenzspannung VD bereit. Der Bereich zwischen der oberen und der unteren Referenzspannung VU, VD ist ein vorgegebener Signalbereich. Der Fensterkomparator 71 vergleicht somit die Stromreglerspannung VS1 mit der oberen Referenzspannung VU und der unteren Referenzspannung VD. Am Ausgang des ersten Komparators 72 ist somit das Ergebnis des Vergleichs der Stromreglerspannung VS1 mit der oberen Referenzspannung VU abgreifbar. Entsprechend ist am Ausgang des zweiten Komparators 73 das Ergebnis des Vergleichs der Stromreglerspannung VS1 mit der unteren Referenzspannung VD bereitgestellt. Am Ausgang des Aufwärts-/Abwärtszählers 70 ist ein Einstellkoeffizient K abgreifbar. Ist die Stromreglerspannung VS1 größer als die obere Referenzspannung VU, so zählt der Aufwärts-/Abwärtszähler 70 nach oben und der Einstellkoeffizient K wird erhöht. Ist hingegen die Stromquellenspannung VS1 kleiner als die untere Referenzspannung VD, so zählt der Aufwärts-/Abwärtszähler 70 nach unten und der Einstellkoeffizient K wird verringert. Ist jedoch die Stromquellenspannung VS1 kleiner als der obere Referenzspannungswert VU und größer als der untere Referenzspannungswert VD, so verändert der Aufwärts-/Abwärtszähler 70 den Einstellkoeffizient K nicht und letzterer ist konstant. Der Aufwärts-/Abwärtszähler 70 ist beispielsweise ausgelegt, in Schritten von 0,1 im Bereich von 0,5 bis 2,0 zu zählen und den Einstellungskoeffizienten K aus dem Bereich von 0,5 bis 2,0 mit einer Schrittweite von 0,1 abzugeben.
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Der Sollstromwert SW1 ergibt sich aus der Division des vorgegebenen Sollstromwerts ISET mit dem Einstellkoeffizienten K. Der Signalgenerator 48 stellt das Steuersignal ST1 mit dem Tastverhältnis TV1 bereit, wozu der Einstellkoeffizient K mit dem Vorgabewert des Tastverhältnisses PWM multipliziert wird. Der Sollstromwert SW1 und das Tastverhältnis TV1 werden somit laut folgenden Gleichungen ermittelt: SW1 = ISET / K und TV1 = PWM·K
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Da die erste und die zweite Funktionseinheit 76, 77 zueinander inverse mathematische Operationen ausführen, ist der resultierende durchschnittliche Stromwert AVC konstant. Falls die Stromreglerspannung VS1 zu hoch ist, zählt der Aufwärts-/Abwärtszähler 70 aufwärts und erhöht somit das Tastverhältnis TV1 und senkt dabei den Sollstromwert SW1. Der Begrenzungsblock 84 limitiert den Aufwärts-/Abwärtszähler 70 derart, dass das Tastverhältnis TV1 den Wert von 100% nicht überschreitet. Weiter kann der Block 84 ausgelegt sein, minimale oder maximale Werte für den Sollstromwert SW1 einzustellen. Somit wird erzielt, dass der Sollstromwert SW1 einen minimalen Sollstromwert nicht unterschreitet und einen maximalen Sollstromwert nicht überschreitet. Der vorgegebene Sollstromwert SW1 und das vorgegebene Tastverhältnis PWM sind als Digitalwerte realisiert.
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Die Koordinationsschaltung 87 ist eingerichtet, die Steuerblöcke 69, 85, 86 zu koordinieren. Die Koordinationsschaltung 87 implementiert daher die in den 1A bis 1C beschriebenen Verfahren, zum Beispiel bewirkt die Koordinationsschaltung 87, welcher der Stromregler 13, 36, 47 auf das Tastverhältnis 100% eingestellt wird und wie die weiteren Stromregler dem so eingestellten Stromregler folgen.
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In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist die erste Funktionseinheit 76 als Multiplizierer und die zweite Funktionseinheit 77 als Dividierer realisiert. Der Aufwärts-/Abwärtszähler 70 ist dabei mit dem Fensterkomparator 71 derart gekoppelt, dass der Einstellkoeffizient K erhöht wird, wenn die Stromreglerspannung VS1 kleiner als die untere Referenzspannung VD ist, und der Einstellkoeffizient K reduziert wird, wenn die Stromreglerspannung VS1 höher als die obere Referenzspannung VU ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das Tiefpassfilter 79 eingerichtet, das vorgegebene Tastverhältnis PWM, welches als digitales Signal vorliegt, in ein analoges Signal zu konvertieren. Das so entstandene analoge Signal wird dann mit dem Stromreglerstrom IS1 multipliziert. Die Leuchtdioden 18, 19, 20 werden linear angetrieben, was die Lastspannung VL1 verringert und die Effektivität erhöht. Die erste und die zweite Funktionseinheit 76, 77 sind als analoge Multiplizier- beziehungsweise Dividierschaltungen realisiert.
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2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Steuerschaltung 12 und eines Stromreglers 13 nach dem vorgeschlagenen Prinzip, wie sie in den Beleuchtungsanordnungen gemäß 1A bis 1D eingesetzt werden können. Der Schaltungsblock 69 weist einen Ausgangsschalter 100 auf, der zwischen der ersten Funktionseinheit 76 und dem ersten Steuerausgang 25 angeordnet ist. Der Ausgang der zweiten Funktionseinheit 77 ist über den Signalgenerator 78 mit einem Steueranschluss des Ausgangsschalters 100 gekoppelt. Der zweite Steuerausgang 26 der Steuerschaltung 12 entfällt somit. Die Treiberschaltung 11 umfasst eine Abtast- und Halteschaltung 104, die den Lastanschluss 27 mit dem Auswahlblock 31 und dem Steuereingang 28 koppelt. Die Abtast- und Halteschaltung 104 umfasst einen Abtastschalter 105 und einen Haltekondensator 106. Ein Steueranschluss der Abtast- und Halteschaltung 104 ist mit dem Ausgang des Signalgenerators 78 gekoppelt.
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Der Stromregler 13 umfasst einen Transistor 101 und einen Stromsensor 102, die seriell zueinander angeordnet sind. Der Lastanschluss 27 ist somit über eine Serienschaltung, umfassend die gesteuerte Strecke des Transistors 101 und den Stromsensor 102, mit dem Bezugspotenzialanschluss 17 verbunden. Der Transistor 23 kann somit entfallen und ist durch eine Verbindungsleitung ersetzt. Der Stromsensor 102 ist als Widerstand realisiert. Der Stromregler 13 weist einen Verstärker 103 auf, der ausgangsseitig mit einem Steueranschluss des Transistors 101 gekoppelt ist. Ein erster Eingang des Verstärkers 103 ist an den ersten Steuerausgang 25 gekoppelt. Ein Ausgang des Stromsensors 102 ist mit einem zweiten Eingang des Verstärkers 103 verbunden. Dazu ist ein Knoten zwischen dem Transistor 101 und dem Stromsensor 102 an den zweiten Eingang des Verstärkers 103 angeschlossen. Der Stromregler 24 ist als geregelter Stromregler realisiert. Der Stromregler 24 weist eine interne Regelungsschleife auf. Die Regelungsschleife umfasst den Transistor 101, den Stromsensor 102 und den Verstärker 103.
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Das Taktsignal ST1 steuert den Ausgangsschalter 100. Der von der ersten Funktionseinheit 76 bereitgestellte Sollstromwert SW1 wird über den Ausgangsschalter 100 dem Stromregler 13 und damit dem ersten Eingang des Verstärkers 103 zugeleitet. Somit liegt der Sollstromwert SW1 am ersten Eingang des Verstärkers 103 in den Anschaltphasen eines Taktzyklus des Taktsignals ST1 an. In den Ausschaltphasen des jeweiligen Taktzyklus liegt der Wert 0 V am ersten Eingang des Verstärkers 103 an. Der Verstärker 103 stellt ein Ansteuersignal STR bereit, mit dem der Transistor 101 gesteuert wird. Der Transistor 101 steuert den Stromreglerstrom IS1 in Abhängigkeit von dem Taktsignal ST1 und dem Sollstromwert SW1. Der durch den Stromsensor 102 fließende Stromquellenstrom IS1 wird vom Stromsensor 102 gemessen. Am Widerstand des Stromsensors 102 fällt ein Stromsignal in Form einer Spannung VR ab, das dem zweiten Eingang des Verstärkers 103 zugeleitet wird. Das Ansteuersignal STR wird in Abhängigkeit von einem Vergleich des Sollstromwerts SW1 und des Sensorsignals VR gebildet. Aufgrund der Rückkopplungsschleife, die der Transistor 101, der Stromsensor 102 und der Verstärker 103 bilden, ist der Stromquellenstrom IS1 proportional zum Sollstromwert SW1 gemäß der Gleichung IS1 = SW1·R. Dabei ist R der Widerstandswert des Widerstands des Stromsensors 102.
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Die Abtast- und Halteschaltung 104 wird ebenfalls vom Taktsignal ST1 gesteuert. In den Anschaltphasen des Taktsignals ST1 wird die Stromreglerspannung VS1 abgetastet und liegt auch in den Ausschaltphasen des Taktsignals ST1 am Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 104 an.
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Der weitere und der zusätzliche Stromregler 36, 47 können ebenfalls wie der Stromregler 13 realisiert sein. Entsprechend können der weitere Schaltungsblock 85 und der zusätzliche Schaltungsblock 86 jeweils einen Ausgangsschalter, der dem Ausgangsschalter 100 im Schaltungsblock 69 entspricht, aufweisen. Ferner ist eine weitere und eine zusätzliche Abtast- und Halteschaltung der Treiberschaltung 12 analog zur Abtast- und Halteschaltung 104 vorgesehen.
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Der Stromregler 13 weist maximal einen Leistungstransistor, nämlich den Transistor 101 auf. Die gesteuerte Stromstrecke von maximal einem Transistor, nämlich dem Transistor 101, ist zwischen der elektrischen Last 14 und dem Bezugspotentialanschluss 17 angeordnet. Mit Vorteil kann der Schalter 23 entfallen, so dass ohmsche Verluste reduziert sind.
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In einer alternativen Ausführungsform sind der Auswahlblock 31 und der Steuereingang 28 der Steuerschaltung 12 mit einem Knoten zwischen dem Verstärker 103 und dem Steueranschluss des Transistors 101 gekoppelt. Die Verbindung ist gestrichelt eingezeichnet. In dem Auswahlblock 31 wird dann der MAX-Wert der Eingänge gebildet, wobei das Signal jeweils invertiert ist, und bei den Komparatoren 72 und 73 werden die Eingänge vertauscht. Hingegen entfällt die Verbindung des Auswahlblocks 31 sowie des Steuereingangs 28 zum Lastanschluss 27. Dem Auswahlblock 31 und der Steuerschaltung 12 wird somit das Ansteuersignal STR zugeleitet. Der Auswahlblock 31 ist dabei so realisiert, dass er die größte der eingangsseitig anliegenden Signale an seinem Ausgang abgibt. Ein hoher Wert des Ansteuersignals STR signalisiert, dass die Versorgungsspannung VDC zu niedrig ist. Der Vergleicher 29 und der Spannungswandler 15 sind so realisiert, dass die Versorgungsspannung VDC erhöht wird, falls das Ansteuersignal STR größer als der Sollspannungswert VMS ist. Das Ansteuersignal STR wird dem Fensterkomparator 71 zugeleitet. Ist das Ansteuersignal STR oberhalb des vorgegebenen Signalbereichs, so wird der Sollstromwert SW1 verringert. Ist das Ansteuersignal STR unterhalb des vorgegebenen Signalbereichs, so wird der Sollstromwert SW1 vergrößert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Beleuchtungsanordnung
- 11
- Treiberschaltung
- 12
- Steuerschaltung
- 13
- Stromregler
- 14
- elektrische Last
- 15
- Spannungswandler
- 16
- Spannungswandlerausgang
- 17
- Bezugspotenzialanschluss
- 18, 19, 20
- Leuchtdiode
- 22
- Rückkopplungseingang
- 23
- Schalter
- 24
- Stromquelle
- 25, 25', 25''
- erster Steuerausgang
- 26, 26', 26''
- zweiter Steuerausgang
- 27
- Lastanschluss
- 28, 28', 28''
- Steuereingang
- 29
- Vergleicher
- 30
- Referenzspannungsquelle
- 31
- Auswahlblock
- 32, 33
- Spannungswandlerschalter
- 34
- Induktivität
- 35
- Ausgangskondensator
- 36
- weiterer Stromregler
- 37
- weitere elektrische Last
- 38, 39, 40
- Leuchtdiode
- 41
- weiterer Schalter
- 42
- weitere Stromquelle
- 45
- weiterer Lastanschluss
- 47
- zusätzlicher Stromregler
- 48
- zusätzliche elektrische Last
- 49, 50, 51
- Leuchtdiode
- 52
- zusätzlicher Schalter
- 53
- zusätzliche Stromquelle
- 56
- zusätzlicher Lastanschluss
- 58
- erster Setzeingang
- 59
- zweiter Setzeingang
- 60
- Eingangskondensator
- 69
- Steuerblock
- 70
- Aufwärts-/Abwärtszähler
- 71
- Fensterkomparator
- 72
- erster Komparator
- 73
- zweiter Komparator
- 74
- erste Referenzspannungsquelle
- 75
- zweite Referenzspannungsquelle
- 76
- erste Funktionseinheit
- 77
- zweite Funktionseinheit
- 78
- Signalgenerator
- 79, 79', 79''
- Tiefpassfilter
- 80, 81
- Puffer
- 82
- Summierglied
- 83
- Verzögerungsglied
- 84
- Begrenzungseinheit
- 85
- weiterer Steuerblock
- 86
- zusätzlicher Steuerblock
- 87
- Koordinationsschaltung
- 100
- Ausgangsschalter
- 101
- Transistor
- 102
- Stromsensor
- 103
- Verstärker
- 104
- Abtast- und Halteschaltung
- 105
- Abtastschalter
- 106
- Haltekondensator
- IDC
- Spannungswandlerstrom
- ISET
- vorgegebener Sollstromwert
- IS1
- Stromreglerstrom
- IS2
- weiterer Stromreglerstrom
- IS3
- zusätzlicher Stromreglerstrom
- K
- Einstellkoeffizient
- PWM
- vorgegebenes Tastverhältnis
- SFB
- Rückkopplungssignal
- STR
- Ansteuersignal
- ST1
- Taktsignal
- ST2
- weiteres Taktsignal
- ST3
- zusätzliches Taktsignal
- SW1
- Sollstromwert
- SW2
- weiterer Sollstromwert
- SW3
- zusätzlicher Sollstromwert
- TV1
- Tastverhältnis
- TV2
- weiteres Tastverhältnis
- TV3
- zusätzliches Tastverhältnis
- VD
- untere Referenzspannung
- VDC
- Versorgungsspannung
- VIN
- Eingangsspannung
- VL1
- Lastspannung
- VL2
- weitere Lastspannung
- VL3
- zusätzliche Lastspannung
- VMIN
- ausgewähltes Signal
- VMS
- Sollspannungswert
- VR
- Stromsignal
- VS1
- Stromreglerspannung
- VS2
- weitere Stromreglerspannung
- VS3
- zusätzliche Stromreglerspannung
- VU
- obere Referenzspannung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0062872 A1 [0003]
