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Die Erfindung betrifft eine LED-Beleuchtungsvorrichtung für eine Wechselspannungsversorgung, mit mehreren LEDs, welche eine Gesamtkette bilden, wobei die LEDs in LED-Teilgruppen verteilt sind, wobei in der LED-Beleuchtungsvorrichtung eine Versorgungsspannung mit wechselnder Amplitude vorliegt.
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LED-Leuchten werden zunehmend zur Beleuchtung von Räumen und dergleichen eingesetzt, da diese eine hohe optische Ausbeute bei zugleich niedrigem Energiebedarf umsetzen können. Vergleicht man LED-Leuchten mit klassischen Glühleuchten, so ist offensichtlich, dass das Betreiben der Leuchten bei einer klassischen Glühleuchte mit einer Wechselspannungsversorgung deutlich einfacher ist als bei LED-Leuchten. Während klassische Glühleuchten ohne Weiteres mit Wechselspannung versorgt werden können, wobei nur auf die Höhe der Wechselspannung zu achten ist, können LED-Leuchten nur in einem sehr begrenzten Spannungsbereich betrieben werden. Bei einer LED-Leuchte muss zum einen eine minimale Spannung überschritten werden, um die LED-Leuchte zum Leuchten zu bringen. Zum zweiten fließt bei einer zu hohen anliegenden Spannung zu viel Strom durch die LED-Leuchte, sodass diese ohne aktive Kühlung nach kurzer Zeit ausfällt.
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Das Arbeitsfenster in Bezug auf die Spannungshöhe zur Versorgung der LED-Leuchte ist somit vergleichsweise eng. Insbesondere ist es nicht möglich, eine LED-Leuchte unmittelbar an eine Wechselspannungsversorgung anzuschließen, da aufgrund der sich stark ändernden Spannungswerte ein Betrieb der LED-Leuchte nicht möglich ist.
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Die Druckschrift
DE 20 2011 105 404 U1 zählt verschiedene Möglichkeiten zur Spannungsversorgung von LEDs auf, wobei auch darauf hingewiesen wird, dass Leuchtdioden von einer Wechselspannungsquelle versorgt werden können, wobei zwischen den Leuchtdioden mit etwaigen Vorwiderständen ein Brückengleichrichter angeordnet ist, sodass die Leuchtdioden mit pulsierendem Strom versorgt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung vorzuschlagen, die für eine Wechselspannungsversorgung angepasst ist. Diese Aufgabe wird durch eine LED-Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine LED-Beleuchtungsvorrichtung offenbart, die für eine Wechselspannungsversorgung ausgebildet ist. Bei der Wechselspannungsversorgung kann es sich beispielsweise um ein öffentliches Stromnetz mit einer effektiven Netzspannung von 230 Volt und einer Netzfrequenz von 50 Hertz handeln. Besonders bevorzugt weist die Wechselspannungsversorgung eine Effektivspannung von 115 Volt und eine Netzfrequenz zwischen 400 Hertz und 800 Hertz auf, wobei eine derartige Wechselspannungsversorgung zum Beispiel in einem Flugzeug bereitgestellt wird.
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Die LED-Beleuchtungsvorrichtung weist mehrere LEDs (light-emitting diode/lichtemittierende Diode) auf, welche eine Gesamtkette bilden. Die mehreren LEDs können z. B. als weiße LEDs, rote LEDs, grüne LEDs oder blaue LEDs oder als eine Mischung davon ausgebildet sein. Die Gesamtkette beschreibt eine elektrische Verschaltung der mehreren LEDs, wobei die Gesamtkette über einen gemeinsamen, insbesondere zweipoligen Anschluss mit Energie versorgt ist. Innerhalb der Gesamtkette können die mehreren LEDs elektrisch parallel oder seriell zueinander oder in einer Mischform angeordnet sein.
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Die LEDs sind in LED-Teilgruppen organisiert oder verteilt, wobei in jeder LED-Teilgruppe mindestens eine LED vorhanden ist. In der kleinsten Ausgestaltung der Erfindung ist in jeder LED-Teilgruppe somit genau eine LED angeordnet, bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in jeder LED-Teilgruppe eine Mehrzahl von LEDs angeordnet. Innerhalb der LED-Teilgruppe können die LEDs elektrisch parallel oder seriell oder in einer Mischform zueinander angeordnet sein. Auch jede LED-Teilgruppe weist einen eigenen, insbesondere zweipoligen Anschluss zur Energieversorgung auf.
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Bedingt durch die Wechselspannungsversorgung liegt eine Versorgungsspannung mit wechselnder Amplitude an. Bei einer möglichen Ausbildung der Erfindung umfasst die LED-Beleuchtungsvorrichtung einen optionalen Netzfilter, einen Gleichrichter sowie ein PFC-Modul, welche gemeinsam aus der Wechselspannungsversorgung die Versorgungsspannung mit wechselnder Amplitude generieren. In einer speziellen Ausführungsform ist die Versorgungsspannung als eine gleichgerichtete Wechselspannung, insbesondere gleichgerichtete sinusförmige Wechselspannung ausgebildet.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine besondere Verschaltung der LED-Teilgruppen sowie deren Ansteuerung wie folgt vorgeschlagen:
Die LED-Beleuchtungsvorrichtung umfasst mehrere Serienschalteinrichtungen, die insbesondere als steuerbare Unterbrechungsschalter ausgebildet sind, wobei eine Serienschalteinrichtung und eine LED-Teilgruppe zusammen eine LED-Baugruppe bilden. Die Serienschalteinrichtung ist in der LED-Baugruppe so ausgebildet, dass ein Stromfluss durch die jeweilige LED-Teilgruppe unterbrechbar ist. Insbesondere ist die Serienschalteinrichtung in Bezug auf einen Eingang und einen Ausgang der LED-Baugruppe oder in Bezug auf zwei Pole der LED-Baugruppe seriell zu der LED-Teilgruppe angeordnet. Wird die Serienschalteinrichtung geöffnet, so ist der Stromfluss durch die LED-Teilgruppe und durch die LED-Baugruppe unterbrochen.
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Die LED-Beleuchtungsvorrichtung umfasst mehrere derartige LED-Baugruppen, welche in Serie – auch Reihe genannt – geschalten sind, so dass eine LED-Spalte gebildet ist, wobei die mehreren LED-Baugruppen LED-Zeilen zu der LED-Spalte bilden. In der einfachsten Ausgestaltung der Erfindung mit m LED-Baugruppen, welche in einer LED-Spalte organisiert sind, wird auf diese Weise eine m×1-Matrix gebildet. Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung weist die Gesamtkette mehrere LED-Spalten, insbesondere n LED-Spalten auf, so dass eine m×n-(Zeilen×Spalten)Matrix gebildet ist.
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Die Anordnung der LED-Baugruppen in der jeweiligen Matrix ist insbesondere als eine logische oder elektrische Anordnung zu verstehen, in der tatsächlichen räumlichen Verteilung können die LED-Baugruppen ebenfalls matrixartig angeordnet sein, können jedoch auch eine beliebige andere Anordnung einnehmen. In dem letztgenannten Fall müssen entsprechende Verbindungsleitungen zu den LED-Baugruppen geführt werden.
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Die LED-Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere die Gesamtkette, umfasst mehrere Kurzschlusseinrichtungen, wobei den LED-Zeilen jeweils eine der Kurzschlusseinrichtungen zugeordnet ist und wobei die Kurzschlusseinrichtung zur Überbrückung der LED-Baugruppe bzw. -baugruppen in der LED-Zeile ausgebildet ist.
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In der zuvor beschriebenen einfachsten Ausgestaltung der Erfindung bildet eine derartige Kurzschlusseinrichtung einen Bypass zu der in der jeweiligen LED-Zeile angeordneten LED-Baugruppe. Insbesondere wird durch die Kurzschlusseinrichtung, im Speziellen den Bypass, auch die Serienschalteinrichtung der LED-Baugruppe überbrückt. Soweit mehrere LED-Spalten vorgesehen sind, werden durch eine gemeinsame Kurzschlusseinrichtung alle LED-Baugruppen in der zugeordneten LED-Zeile überbrückt.
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Ferner umfasst die LED-Beleuchtungsvorrichtung eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Kurzschlusseinrichtungen und der Serienschalteinrichtungen, um die Gesamtkette in mindestens zwei Schaltungszustände zu versetzen, wobei sich die mindestens zwei Schaltungszustände durch die Durchlassspannung der Gesamtkette unterscheiden. Insbesondere sind die Beträge der Durchlassspannungen der mindestens zwei Schaltzustände größer als 1 Volt. Unter der Durchlassspannung – auch Vorwärtsspannung genannt – wird insbesondere die Schwellenspannung verstanden, welche anliegen muss, damit die LEDs der nicht unterbrochenen und nicht kurzgeschlossenen LED-Teilgruppen in der Gesamtkette zu leuchten beginnen.
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Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass in Abhängigkeit der Betriebszustände der Kurzschlusseinrichtungen und der Serienschalteinrichtungen die Gesamtkette unterschiedliche Durchlassspannungen aufweisen kann. Die LED-Beleuchtungsvorrichtung ermöglicht insbesondere, mehrere LED-Teilgruppen in Serie bzw. in Reihe zu schalten, um die Durchlassspannung zu ändern. Schaltet man beispielsweise zwei LED-Teilgruppen mit jeweils nur einer LED mit einer Vorwärtsspannung von 3,4 Volt in Serie, so beträgt die gemeinsame Durchlassspannung 6,4 Volt. Wird eine der Kurzschlusseinrichtungen aktiviert, so dass eine der LED-Baugruppen kurzgeschlossen ist, beträgt die Durchlassspannung 3,4 Volt. Durch die Möglichkeit der Änderung der Schaltungszustände der Gesamtkette wird somit erreicht, dass die Gesamtkette in der Durchlassspannung anpassbar ist.
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Die erfindungsgemäße LED-Beleuchtungsvorrichtung ermöglicht es folglich, dass die Durchlassspannung der Gesamtkette flexibel an die wechselnde Amplitude der Versorgungsspannung anpassbar ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Teilmenge der LEDs hinsichtlich der Spannungshöhe in einem akzeptablen Arbeitsfenster betrieben wird, insbesondere ohne Verluste aufgrund von Vorwiderständen zu groß werden zu lassen, und eine andere Teilmenge der LEDs zumindest temporär ausgeschaltet ist.
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Bei einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung ausgebildet, die Kurzschlusseinrichtungen und die Serienschalteinrichtungen derart anzusteuern, dass der Schaltungszustand aktiviert ist, der die höchste Durchlassspannung aufweist, wobei die Durchlassspannung kleiner oder gleich zu der aktuellen Versorgungsspannung ist. Es wird somit vorzugsweise immer der Schaltungszustand gewählt, der die Versorgungsspannung am besten ausnutzt. Durch diese Betriebsweise wird eine Überhitzung der LEDs aufgrund zu hoher Spannungen vermieden und zugleich die LEDs in einem energieeffizienten Bereich betrieben.
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Bei einer besonders bevorzugten schaltungstechnischen Realisierung der Erfindung ist die Steuereinrichtung als eine programmierbare, insbesondere digitale Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung als eine Mikrocontroller, DSP oder FPGA realisiert. Diese Realisierung hat den Vorteil, dass die komplexe Ansteuerung der Serienschalteinrichtungen und Kurzschlusseinrichtungen flexibel durch die Programmierung der Datenverarbeitungseinrichtung anpassbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung für einen wahlfreien Zugriff auf der Serienschalteinrichtungen und Kurzschlusseinrichtungen der Gesamtkette ausgebildet. Es wird somit die Möglichkeit eröffnet, die Serienschalteinrichtungen und Kurzschlusseinrichtungen unabhängig voneinander von der Steuereinrichtung zu aktivieren und zu deaktivieren. Diese Weiterbildung der Erfindung hat den Vorteil, dass eine besonders hohe Flexibilität bei der Auswahl der Serienschalteinrichtungen und Kurzschlusseinrichtungen gegeben ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung ausgebildet, die Serienschalteinrichtungen und Kurzschlusseinrichtungen so anzusteuern, dass die Gesamtkette in mehrere Varianten eines Schaltungszustandes versetzt werden kann. Die unterschiedlichen Varianten eines Schaltungszustands weisen die gleiche Durchlassspannung der Gesamtkette auf, die Auswahl der aktiven, also stromdurchflossenen LED-Teilgruppen ist jedoch von Variante zu Variante verschieden. Betrachtet man alle LED-Teilgruppen als Elemente einer Menge, so bilden in einem Schaltzustand die aktiven LED-Teilgruppen als Elemente eine (echte) Teilmenge der Menge. Bei einer Variante des gleichen Schaltungszustands wird eine zweite (echte) Teilmenge der Menge mit aktiven LED-Teilgruppen gebildet, wobei die erste und die zweite Teilmenge ungleich sind.
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Der Vorteil der mehreren Varianten eines Schaltzustands liegt darin, dass die Steuereinrichtung beispielsweise so ausgebildet ist, dass in einer bevorzugten Betriebsart alle oder die meisten LEDs der Gesamtkette über ein zeitliches Mittel gleichlang aktiviert werden können oder sind. Ein weiterer Vorteil der verschiedenen Varianten liegt darin, dass LEDs an unterschiedlichen Positionen aktiviert werden können. So kann auch bei einer größeren Anzahl von deaktivierten LEDs in der Gesamtkette durch Nutzung der unterschiedlichen Varianten im zeitlichen Mittel eine gleichmäßig Beleuchtung erreicht werden. Optional ergänzend können die Varianten auch genutzt werden, um LED-Teilgruppen mit unterschiedlichen Farben in Abhängigkeit einer gewünschten Gesamtfarbe der Gesamtkette zu aktivieren, ohne die Durchlassspannung der Gesamtkette zu ändern.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kurvenverlauf der Versorgungsspannung durch einen sich wiederholenden Wellenabschnitt gebildet ist. Ist die Versorgungsspannung z. B. als gleichgerichtete, sinusförmige Wechselspannung ausgebildet, so ist der Wellenabschnitt jeweils als eine sinusförmige Halbwelle ausgebildet. Die mindestens zwei Schaltungszustände werden regelmäßig während einem der Wellenabschnitte eingenommen. So wird regelmäßig bei einer ansteigenden Flanke von einem der Schaltungszustände zu einem anderen der Schaltungszustände gewechselt und bei einer abfallenden Flanke des Wellenabschnitts die Schaltzustände in Gegenrichtung gewechselt. Durch diese Ausgestaltung wird unterstrichen, dass die Anpassung der Schaltungszustände hochdynamisch, nämlich während des sich wiederholenden Wellenabschnitts umgesetzt wird. Insbesondere erfolgt die Anpassung der Schaltungszustände innerhalb eines Wellenabschnitts. Es handelt sich insbesondere nicht um eine statische Änderung des Schaltungszustands, welche sich über mehrere Wellenabschnitte erstreckt. Auf diese Weise wird die Gesamtkette während eines Wellenabschnitts vorzugsweise durchschnittlich durch mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei und insbesondere mindestens vier Schaltungszustandsänderungen an den Momentanwert der Versorgungsspannung angepasst.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung weist die Gesamtkette mehrere derartige LED-Spalten mit LED-Baugruppen auf, wobei die LED-Spalten zueinander elektrisch parallel angeordnet sind, wobei die LED-Baugruppe der LED-Spalten die LED-Zeilen bilden und wobei die der LED-Zeile zugeordnete Kurzschlusseinrichtung zur Überbrückung aller LED-Baugruppen in der LED-Zeile ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung erhöht die mögliche Anzahl von LED-Baugruppen und erlaubt somit eine Skalierung der Gesamtkette und der LED-Beleuchtungsvorrichtung. Im einfachsten Fall werden die Serienschalteinrichtungen einer LED-Zeile einheitlich angesteuert, so dass die Gesamtkette in Abhängigkeit der LED-Zeilen aktiviert oder deaktiviert ist.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die LED-Zeilen und/oder die LED-Spalten und/oder die LED-Teilgruppen unterschiedliche Gesamtfarben aufweisen, so dass über die Aktivierung bzw. Deaktivierung der LED-Stränge bzw. der Kurzschlusseinrichtungen eine Gesamtfarbe der Gesamtkette einstellbar ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die LED-Beleuchtungsvorrichtung eine Stromsenkeneinrichtung auf, welche in Serie (oder in Reihe) mit der Gesamtkette geschaltet ist. An der Stromsenkeneinrichtung liegen die Versorgungsspannung und ein Versorgungsstrom an. Die Stromsenkeneinrichtung ist ausgebildet, einen Kettenstrom für die Gesamtkette auszuregeln, sodass der zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms mit dem zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung oder dem zeitlichen Verlauf einer Netzspannung der Wechselspannungsversorgung synchronisiert ist.
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Dieser Weiterbildung der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass durch die Änderung der Schaltungszustände und die wechselnde Amplitude der Versorgungsspannung ohne weitere Maßnahmen ein sehr ungleichmäßiger Strom durch die Gesamtkette fließen würde. Der Strom durch die Gesamtkette wird hier auch als Kettenstrom bezeichnet. Durch den ungleichmäßigen Kettenstrom würde zum einen ein in ähnlicher Weise ungleichmäßiger Netzstrom aus der Wechselspannungsversorgung gezogen werden und zum anderen eine sehr ungleichmäßige Helligkeit bei den mehreren LEDs ausgegeben werden. Um diese Effekte zu verkleinern, sorgt die Stromsenkeneinrichtung dafür, dass der Kettenstrom stets so gewählt ist, dass der Versorgungsstrom wahlweise mit dem zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung oder dem zeitlichen Verlauf der Netzspannung der Wechselspannungsversorgung synchronisiert ist. Die genannten zeitlichen Verläufe können in der Stromsenkeneinrichtung als Führungsgröße eingebracht werden. Die Stromsenkeneinrichtung weist z. B. einen steuerbaren Innenwiderstand auf, dessen Höhe durch den Quotienten der Differenzspannung zwischen Versorgungsspannung bzw. Netzspannung und der aktuellen Durchlassspannung der Gesamtkette geteilt durch den gewünschten Versorgungsstrom berechnet ist. Insbesondere wird die Stromsenkeneinrichtung so gesteuert oder geregelt, dass ein Leistungsfaktor der LED-Beleuchtungsvorrichtung hoch bleibt.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung ausgebildet, alle Kurzschlusseinrichtungen während einer Aktivierungsdauer zu schließen, wenn die Versorgungsspannung kleiner als die kleinste Durchlassspannung der mindestens zwei Schaltzustände ist. Insbesondere ist die Steuereinrichtung ausgebildet, ein Schließen der Kurzschlusseinrichtungen zu Beginn und am Ende eines Wellenabschnitts der Versorgungsspannung anzusteuern. Durch diese Weiterbildung wird sichergestellt, dass zu Beginn und am Ende jedes Wellenabschnitts die Gesamtkette überbrückt ist, solange die Versorgungsspannung nicht ausreichend hoch ist, um die LEDs in der Gesamtkette zum Leuchten zu bringen. Optional kann vorgesehen sein, dass der aufgrund der geschlossenen Kurzschlusseinrichtungen verfügbare Versorgungsstrom bzw. Kettenstrom durch die Stromsenkeneinrichtung vernichtet wird, bzw. in Wärme umgewandelt wird, um einen bzw. den Leistungsfaktor der LED-Beleuchtungsvorrichtung hochzuhalten.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben der LED-Beleuchtungsvorrichtung, wie diese zuvor beschrieben wurde, bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung in Abhängigkeit einer aktuellen Versorgungsspannung den LED-Strang in einen der zwei Schaltungszustände versetzt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Blockdarstellung einer LED-Beleuchtungsvorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2a, b, c, d eine schematische Darstellung einer Gesamtkette von LEDs in der 1 in einem Schaltungszustand in vier unterschiedlichen Varianten;
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3a, b eine schematische Darstellung der Gesamtkette in den vorhergehenden Figuren in einem zweiten Schaltungszustand in zwei unterschiedlichen Varianten;
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4 einen Graph zur Illustration der Funktionsweise der LED-Beleuchtungsvorrichtung in der 1;
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5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Gesamtkette von LEDs in der 1;
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6 einen Graphen zur Illustration der Aktivierung der LED-Beleuchtungsvorrichtung in der 1.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine LED-Beleuchtungsvorrichtung 1, welche für einen Betrieb mit einer Wechselspannungsversorgung 2 ausgebildet ist. Die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 dient beispielsweise zur Beleuchtung des Innenraums eines Flugzeugs im Passagierbereich.
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Die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 ist an die Wechselspannungsversorgung 2 angeschlossen, von der sie eine Netzspannung und einen Netzstrom bezieht. Nach einem Eingang 3 in die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 folgt optional ein Netzfilter 4, welcher ausgebildet ist, Störungen, welche in die Wechselspannungsversorgung 2 zurückgekoppelt werden könnten, zu filtern. Insbesondere handelt es sich um einen Tiefpassfilter, welcher beispielsweise durch eine Verschaltung von Kondensatoren und Induktivitäten ausgebildet ist.
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Dem Netzfilter 4 ist ein Gleichrichter 5 nachgeschaltet, welcher ausgebildet ist, die anliegende Netzspannung beziehungsweise gefilterte Netzspannung in eine gleichgerichtete Versorgungsspannung zu überführen. Der Gleichrichter 5 ist beispielsweise als ein Brückengleichrichter ausgebildet. Die gleichgerichtete Versorgungsspannung sowie der gleichgerichtete Versorgungsstrom wird an ein PFC-Modul 6 weitergeleitet, welches einen Oberschwingungsfilter beziehungsweise einen Leistungsfaktorkorrekturfilter sowie eine Glättungseinrichtung, wie zum Beispiel einen Kondensator, umfasst. In dem Leistungskorrekturfilter ist mindestens ein Schaltelement angeordnet, sodass der Leistungsfaktorkorrekturfilter als ein getaktetes System oder die Kombination aus Gleichrichter 5 und PFC-Modul 6 als ein Schaltnetzteil ausgebildet ist.
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Das PFC-Modul 6 stellt eine Versorgungsspannung und einen Versorgungsstrom bereit, welche nachfolgend an eine Stromsenkeneinrichtung 7 – auch elektronische Last genannt – übergeben werden. Die Stromsenkeneinrichtung 7 ist ausgebildet, geregelt oder gesteuert Strom und damit Leistung durch Umwandlung in Wärme zu vernichten.
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Ausgehend von der Stromsenkeneinrichtung 7 werden eine Kettenspannung und ein Kettenstrom an eine LED-Gesamtkette 9 – auch nur Gesamtkette genannt – mit einer Mehrzahl von LEDs übergeben.
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Die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst zudem eine Steuereinrichtung 10, welche – wie hier gezeigt – einteilig oder auch mehrteilig ausgebildet sein kann und welche zur Ansteuerung der LED-Gesamtkette 9 ausgebildet ist.
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Als ein Eingangssignal erhält die Steuereinrichtung 10 die Kettenspannung, welche auch der Versorgungsspannung entspricht. Alternativ hierzu erhält die Steuereinrichtung 10 die Versorgungsspannung als das Eingangssignal. Die Steuereinrichtung 10 kann z. B. als ein programmierbarer Mikrocontroller ausgebildet sein.
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Die LED-Gesamtkette 9 ist über die Steuereinrichtung 10 in unterschiedlichen Schaltungszuständen mit verschiedenen Varianten schaltbar, wie dies im Zusammenhang mit den 2a, b, c, d sowie 3a, b erläutert wird.
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Die 2a zeigt die LED-Gesamtkette 9 in einer ersten schematischen Darstellung. Die LED-Gesamtkette umfasst einen Eingang E und einen Ausgang A (bzw. einen ersten und einen zweiten Pol), über welche die LED-Gesamtkette 9 an die in der 1 dargestellte Spannungsversorgung angeschlossen wird.
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Die LED-Gesamtkette 9 umfasst in diesem Beispiel vier LED-Teilgruppen 11a, b, c, d, wobei jede LED-Teilgruppe 11a, b, c, d mindestens eine LED aufweist. Insbesondere weist jede LED-Teilgruppe 11a, b, c, d die gleiche Durchlassspannung (auch Vorwärtsspannung genannt) auf. Die LEDs in den LED-Teilgruppen 11a, b, c, d können – wie symbolisch in den Figuren dargestellt – in jeder der LED-Teilgruppen 11a, b, c, d seriell (bzw. in Reihe) zueinander geschaltet sein. Bei abgewandelten Ausführungsbeispielen können die LEDs in den LED-Teilgruppen 11a, b, c, d auch parallel, seriell oder parallel und seriell gemischt zueinander verschaltet sein.
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Jeder der LED-Teilgruppen 11a, b, c, d ist eine Serienschalteinrichtung 12a, b, c, d zugeordnet. Die Serienschalteinrichtungen 12a, b, c, d sind in Serie zu der zugeordneten LED-Teilgruppe 11a, b, c, d derart angeordnet, dass bei einem Öffnen der Serienschalteinrichtung 12a, b, c, d ein Stromfluss durch die zugeordnete LED-Teilgruppen 11a, b, c, d unterbrochen ist. Die LED-Teilgruppen 11a, b, c, d bilden mit den zugeordneten Serienschalteinrichtungen 12a, b, c, d jeweils eine LED-Baugruppe 13a, b, c, d.
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Die LED-Baugruppen 13a, b, c, d sind in LED-Spalten 14a b angeordnet und in diesen seriell miteinander verschaltet, wobei in der LED-Zeile 14a die LED-Baugruppen 13a, c und in der LED-Spalte 14b die LED-Baugruppen 13b, d angeordnet sind.
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Zudem sind die LED-Baugruppen 13a, b, c, d in LED-Zeilen 15a, b angeordnet, wobei in der LED-Zeile 15a die LED-Baugruppen 13a, b und in der LED-Zeile 15b die LED-Baugruppen 13c, d angeordnet sind. In Bezug auf die LED-Zeilen 15a, b sind die LED-Baugruppen 13a, b, c, d elektrisch parallel zueinander geschaltet.
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Jeder LED-Zeile 15a, b ist eine Kurzschlusseinrichtung 16a, b zugeordnet, welche es ermöglicht, die zugeordneten LED-Zeilen 15a, b kurzzuschließen, zu überbrücken oder einen Bypass dazu zu bilden.
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Die Serienschalteinrichtungen 12a, b, c, d sowie die Kurzschlusseinrichtungen 15a, b sind durch die Steuereinrichtung 10 schaltbar. Somit ist es möglich, über die Steuereinrichtung 10 die Gesamtkette 9 in verschiedene Schaltzustände zu versetzen, wobei ein Schaltzustand durch die Durchlassspannung – auch Vorwärtsspannung genannt – zwischen Eingang E und Ausgang A – bzw. zwischen den zwei Polen der Gesamtkette 9 – definiert ist.
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In den 2a, b, c, d sind vier verschiedene Varianten eines Schaltzustands I dargestellt. In der 2a ist der Schaltzustand so ausgebildet, dass die Durchlassspannung der LED-Gesamtkette 9 durch die Durchlassspannung der LED-Teilgruppe 11a gebildet ist, da alle anderen LED-Teilgruppen 11b, c, d entweder über die Serienschalteinrichtung 12b für die LED-Teilgruppe 11b oder durch die Kurzschlusseinrichtung 15b für die LED-Teilgruppen 11c, d deaktiviert sind.
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Durch Änderung der Ansteuerung ist in der 2b ausschließlich die LED-Teilgruppe 11b, in der 2c ausschließlich die LED-Teilgruppe 11c und in der 2d ausschließlich die LED-Teilgruppe 11d beleuchtet. Alle Varianten des Schaltzustands I haben jedoch die gleiche Durchlassspannung, da die Durchlassspannungen der LED-Baugruppen 13a, b, c, d bzw. der LED-Teilgruppen 11a, b, c, d jeweils gleich sind.
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In den 3a, b ist die gleiche LED-Gesamtkette 9 in einem Schaltungszustand II gezeigt, wobei die Durchlassspannung zwischen dem Eingange E und dem Ausgang A bzw. den zwei Polen der Summe der Durchlassspannungen der LED-Baugruppen 13a, c für die Variante in der 3a und der Summe der LED-Baugruppen 13b, d für die Variante in der 3b ergibt. Geht man wieder von gleichen Durchgangsspannungen in den LED-Baugruppen 13a, b, c, d aus, so ist die Durchlassspannung in dem Schaltzustand II in den 3a, d doppelt so hoch, wie die Durchlassspannung der LED-Gesamtkette 9 in den 2a, b, c, d in dem Schaltzustand I.
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Bei jedem Übergang von einem Schaltzustand 1 zu einem nächsten Schaltzustand II oder in Gegenrichtung wird die Durchlassspannung der LED-Gesamtkette 9 geändert. Die Steuereinrichtung 10 ist ausgebildet, die Gesamtkette 9 in die unterschiedlichen Schaltungszustände I und II sowie deren Varianten zu schalten. Eine entsprechende Steuerschaltung für diese Art der Umschaltung lässt sich z. B. mit Hilfe von Dioden und Transistoren realisieren. Es ist auch möglich, dass die Kurzschlusseinrichtungen 15a, b bzw. die Serienschalteinrichtungen 12a, b, c, d über Steuersignale von der als Mikrocontroller ausgebildeten Steuereinrichtung 10 gesteuert werden.
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Die 4 zeigt in einem schematischen Graph eine Halbwelle 17 als Wellenabschnitt der Kettenspannung, welche auch der Versorgungsspannung entspricht. In dem Graphen ist auf der X-Achse die Zeit t und auf der Y-Achse die Amplitude in beliebigen Einheiten aufgetragen. Die Steuereinrichtung 10 erhält als Eingangssignal die Kettenspannung oder ein dazu proportionales Signal. Zu Beginn der Halbwelle 17 wird die LED-Gesamtkette 9 auf den Schaltungszustand I geschalten, so dass die LED-Gesamtkette 9 eine erste, niedrige Durchlassspannung aufweist. Dadurch können auch bei der vergleichsweise geringen Kettenspannung zumindest die LEDs einer der LED-Teilgruppen 11a, b, c, d zum Leuchten gebracht werden. Steigt die Kettenspannung weiter an oder überschreitet diese insbesondere die zweite Durchlassspannung der LED-Gesamtkette 9 in dem Schaltungszustand II, so schaltet die Steuereinrichtung 10 die LED-Gesamtkette 9 in den zweiten Schaltungszustand II um. In diesem Schaltungszustand leuchten die LEDs von zwei LED-Teilgruppen 11a, b bzw. 11c, d.
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Auf der absteigenden Flanke der Halbwelle 17 wiederholt sich der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge. Durch das Umschalten der LED-Gesamtkette 9 in der beschriebenen Weise ist es möglich, die Durchlassspannung der LED-Gesamtkette 9 wesentlich besser an die jeweils aktuelle Kettenspannung der Halbwelle 17 anzupassen und damit den Wirkungsgrad und die Leuchtdauer der LED-Gesamtkette 9 zu verbessern.
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Um die LEDs in den LED-Teilgruppen 11a, b, c, d im Mittel gleichlang zu aktivieren oder um eine verbesserte flächige Verteilung der beleuchteten LEDs zu erreichen, werden von der Steuereinrichtung 10 die verschiedenen Varianten der Schaltungszustände I und II aktiviert. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer ersten Halbwelle die in der 2a gezeigte Variante, in der zweiten Halbwelle die in der 2b gezeigte Variante, in einer dritten Halbwelle die in der 2c gezeigte Variante und in einer vierten Halbwelle die in der 2d gezeigte Halbwelle aktiviert wird. In gleicher Weise können sich die beiden Varianten des Schaltungszustands II abwechseln. Sofern die Frequenz der Wechselspannungsversorgung ausreichend hoch ist, werden bei dieser Verteilung die vier LED-Teilgruppen 11a, b, c, d von einem menschlichen Betrachter als gleichmäßig leuchtend wahrgenommen, da der schnelle Wechsel für das menschliche Auge nicht verfolgbar ist.
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Obwohl in den 2a, b, c, d bzw. 3a, b nur vier LED-Teilgruppen 11a, b, c, d dargestellt sind, kann die Anzahl der LED-Teilgruppen beliebig ausgewählt werden. So ist es möglich, dass in der Gesamtkette 9 nur zwei LED-Teilgruppen vorgesehen sind, es kann jedoch auch sein, dass in der Gesamtkette 9 vier, fünf oder mehr LED-Teilgruppen vorhanden sind.
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Zur Verdeutlichung ist der 5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren LED-Gesamtkette 9 gezeigt, welche mehrere LED-Spalten 14a, b, x aufweist, wobei noch weitere LED-Spalten möglich sind, wie durch die Punkte angedeutet ist. Jeder der LED-Spalten 14a, b, x umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei LED-Baugruppen 13a, b, c, d, x, y, welche in diesem Beispiel zwei LED-Zeilen 15a, b bilden, in anderen Ausführungsbeispielen können auch weitere LED-Zeilen hinzugefügt werden. Auch in dieser Ausgestaltung ist es möglich, zum einen über die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Kurzschlusseinrichtungen 16a, b, c sowie der Serienschalteinrichtungen 12a, b, c, d, x, y in den verschiedenen LED-Spalten 14a, b, x die Gesamtdurchlassspannung zwischen Eingang E und Ausgang A der Gesamtkette 9 in beschriebener Weise einzustellen.
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Durch ein Zu- bzw. Abschalten von parallel geschalteten LED-Baugruppen 13a, b, c, d, x, y ist es zudem möglich, die Verteilung der aufgenommenen Leistung und/oder des aufgenommenen Kettenstroms durch die Steuereinrichtung 10 zu ändern. In dieser Ausgestaltung ist es somit möglich, dass die Steuereinrichtung 10 die LED-Gesamtkette 9 durch die Ansteuerung der Kurzschlusseinrichtungen 16a, b so ansteuert, dass diese zum einen eine Durchlassspannung aufweist, welche der aktuellen Kettenspannung angepasst ist und zum zweiten über die Zu- und Abschaltung von LED-Baugruppen 13a, b, c, d, x, y über die Serienschalteinrichtungen 12a, b, c, d, x, y die Verteilung des aufgenommenen Stroms kontrollieren kann.
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In der 5 ist nochmals die Stromsenkeneinrichtung 7 gezeigt, welche als eine steuerbare oder regelbare Stromsenke ausgebildet ist, die in diesem Ausführungsbeispiel mit einem zur Netzspannung oder zur gefilterten Netzspannung oder zur Versorgungsspannung synchronen Sinussignal angesteuert wird, so dass die Baugruppen umfassend die Stromsenkeneinrichtung 7 und die LED-Gesamtkette 9 einen zu dem Sinussignal synchronen sinusförmigen Kettenstrom aufnimmt.
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Zu Beginn und am Ende der Halbwelle 17 ist die Versorgungsspannung oder Kettenspannung aufgrund des Nulldurchgangs kleiner als die kleinste, einstellbare Durchlassspannung der LED-Gesamtkette 9, wie dies schematisch in der 6 gezeigt ist. Die Steuereinrichtung 10 ist ausgebildet, zu Beginn und zum Ende der Halbwelle 17 während einer Aktivierungsdauer K die LED-Gesamtkette 9 zu überbrücken, während der die Kettenspannung niedriger als die niedrigste Durchlassspannung der Schaltungszustände I, II ist. Die Überbrückung erfolgt indem die Kurzschlusseinrichtungen 16a, b geschlossen sind. Während diesen Zeitdauern kann die Stromsenkeneinrichtung 7 einen Kettenstrom fließen lassen, sodass die Leistungsfaktoranforderungen der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 weiterhin erfüllt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED-Beleuchtungsvorrichtung
- 2
- Wechselspannungsversorgung
- 3
- Eingang
- 4
- Netzfilter
- 5
- Gleichrichter
- 6
- PFC-Modul
- 7
- Stromsenkeneinrichtung
- 8
- leer
- 9
- LED-Gesamtkette
- 10
- Steuereinrichtung
- 11a, b, c, d, x, y
- LED-Teilgruppe
- 12a, b, c, d, x, y
- Serienschalteinrichtung
- 13a, b, c, d, x, y
- LED-Baugruppe
- 14a, b
- LED-Spalte
- 15a, b
- LED-Zeile
- 16a, b
- Kurzschlusseinrichtung
- 17
- Halbwelle
- E
- Eingang
- A
- Ausgang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011105404 U1 [0004]
