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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, wobei mehrere LED-Teilgruppen seriell zueinander angeordnet sind und einen LED-Strang bilden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der LED-Beleuchtungsvorrichtung.
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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 12 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. In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle LEDs als weiße LEds ausgebildet. 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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Innerhalb der Gesamtkette ist mindestens ein LED-Strang angeordnet, wobei in dem LED-Strang mehrere LED-Teilgruppen seriell zueinander angeordnet sind. Bei der seriellen Schaltung der LED-Teilgruppen werden die LED-Teilgruppen hintereinander oder nacheinander geschaltet. Diese Art der Schaltung wird auch als Reihenschaltung bezeichnet.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, mehrere Kurzschlusseinrichtungen vorzusehen, welche jeweils zur Überbrückung einer der LED-Teilgruppen in dem LED-Strang ausgebildet sind. Die Kurzschlusseinrichtungen sind bevorzugt schaltbar oder steuerbar ausgebildet, wobei diese in Abhängigkeit ihres Zustands aktiviert sind und die zugeordnete LED-Teilgruppe kurzschlussartig oder bypassartig überbrücken oder inaktiv geschalten sind, so dass ein Strom durch die LED-Teilgruppe fließen kann oder fließt. Bevorzugt ist jeder der LED-Teilgruppen in dem LED-Strang eine der Kurzschlusseinrichtungen zugeordnet.
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Ferner umfasst die LED-Beleuchtungsvorrichtung eine Steuereinrichtung, welche ausgebildet ist, die Kurzschlusseinrichtungen anzusteuern, so dass der Zustand der Kurzschlusseinrichtungen von aktiv zu inaktiv und in Gegenrichtung gewechselt werden kann. Die Ansteuerung der Kurzschlusseinrichtung erfolgt derart, dass der LED-Strang in mindestens zwei Schaltungszustände versetzbar ist, wobei sich die mindestens zwei Schaltungszustände durch die Durchlassspannung des LED-Strangs unterscheiden. Unter der Durchlassspannung – auch Vorwärtsspannung genannt – wird insbesondere die Schwellenspannung verstanden, welche anliegen muss, damit die LEDs der nicht-überbrückten LED-Teilgruppen in dem LED-Strang zu leuchten beginnen.
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Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass in Abhängigkeit der Verschaltung des LED-Strangs der LED-Strang und damit die Gesamtkette unterschiedliche Durchlassspannungen aufweisen kann bzw. können. 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-Teilgruppen kurzgeschlossen ist, beträgt die Durchlassspannung 3,4 Volt. Durch die Möglichkeit der Änderung der Schaltungszustände wird somit erreicht, dass der LED-Strang und damit die Gesamtkette durch Änderung des Schaltungszustands in der Durchlassspannung anpassbar sind.
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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, ohne die 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 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 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 die Kurzschlusseinrichtungen des mindestens einen LED-Strangs ausgebildet. Es wird somit die Möglichkeit eröffnet, die 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 Kurzschlusseinrichtungen gegeben ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung ausgebildet, die Kurzschlusseinrichtungen so anzusteuern, dass der LED-Strang in mehrere Varianten eines Schaltungszustandes versetzt werden kann. Die unterschiedlichen Varianten eines Schaltungszustands weisen die gleiche Durchlassspannung des LED-Strangs auf, die Auswahl der überbrückten LED-Teilgruppen ist jedoch von Variante zu Variante verschieden. Betrachtet man die LED-Teilgruppen mit den zugeordneten Kurzschlusseinrichtungen des LED-Strangs als Elemente einer Menge, so bilden die Elemente mit deaktivierten Kurzschlusseinrichtungen eine (echte) Teilmenge mit LED-Teilgruppen, die in diesem Schaltungszustand aktiviert sind. Bei einer Variante des Schaltungszustands wird eine zweite (echte) Teilmenge der Menge mit LED-Teilgruppen mit deaktivierten Kurzschlusseinrichtungen gebildet, wobei die erste und die zweite Teilmenge ungleich sind.
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Der Vorteil der mehreren Varianten liegt darin, dass die Steuereinrichtung beispielsweise so ausgebildet ist, dass in einer bevorzugten Betriebsart alle oder die meisten LEDs des LED-Strangs 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 dem LED-Strang 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 des LED-Strangs zu aktivieren, ohne die Durchlassspannung des LED-Strangs 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-Stränge auf, wobei die LED-Stränge elektrisch parallel zueinander verschaltet sind. So ist es beispielsweise möglich, dass in der Gesamtkette zwei, drei, vier oder mehr LED-Stränge parallel zueinander geschalten sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zur Ansteuerung aller Kurzschlusseinrichtungen der mehreren derartigen LED-Stränge ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung erlaubt, dass die mehreren LED-Stränge parallel zueinander betrieben werden und insbesondere so angesteuert werden, dass die LED-Stränge jeweils den gleichen Zustand, aber optional unterschiedliche Varianten des gleichen Schaltungszustands einnehmen. In dieser Ausgestaltung ist es somit möglich, die Gesamtkette an die Versorgungsspannung, insbesondere den Momentanwert der Versorgungsspannung anzupassen und zugleich verschiedene Varianten der Schaltungszustände der mehreren LED-Stränge zu nutzen, um insbesondere bei gleicher Gesamtfarbe der Gesamtkette unterschiedliche LEDs oder LED-Teilgruppen zu aktivieren – mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens der einzige LED-Strang und vorzugsweise jeder der LED-Stränge eine Sammelschalteinrichtung aufweist, wobei die Sammelschalteinrichtung elektrisch seriell zu den LED-Teilgruppen in dem zugeordneten LED-Strang verschaltet ist. Es ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ergänzend ausgebildet ist, die Sammelschalteinrichtung(en) zu steuern. Die Sammelschalteinrichtung ist insbesondere ausgebildet, mindestens einen Kontakt des zugeordneten LED-Strangs und/oder den LED-Strang selbst in seiner Gesamtheit zu unterbrechen. Diese Weiterbildung eröffnet weitere Gestaltungsmöglichkeiten bei dem Betrieb der LED-Beleuchtungsvorrichtungen und insbesondere der Gesamtkette. So ist es beispielsweise möglich, unterschiedliche LED-Stränge über die jeweils zugeordneten Sammelschalteinrichtungen zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Somit kann über die Steuereinrichtung zum einen die Durchlassspannung der Gesamtkette angepasst werden und zum anderen über die Aktivierung bzw. Deaktivierung von LED-Strängen die Stromverteilung in der Gesamtkette gesteuert werden.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann z. B. vorgesehen sein, dass die LED-Stränge 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 eine 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 und alle Sammelschalteinrichtungen während einer Aktivierungsdauer zu schließen, wenn oder solange die Versorgungsspannung kleiner als die kleinste Durchlassspannung der mindestens zwei Schaltzustände ist. Insbesondere ist die Steuereinrichtung ausgebildet, ein Schließen der Sammelschalteinrichtungen und Kurzschlusseinrichtungen zu Beginn und am Ende eines Wellenabschnitts der Versorgungsspannung anzusteuern, wenn oder solange die Versorgungsspannung kleiner als die kleinste Durchlassspannung der mindestens zwei Schaltzustände ist. Durch diese Weiterbildung wird sichergestellt, dass zu Beginn und am Ende jedes Wellenabschnitts die Gesamtkette überbrückt ist, solange die Versorgungsspannung nicht ausreichend ist, um die LEDs in der Gesamtkette zum Leuchten zu bringen.
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Optional kann vorgesehen sein, dass der aufgrund der geöffneten Sammelschalteinrichtungen 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, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. 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 eine schematische Darstellung einer Gesamtkette von LEDs in der 1 in verschiedenen Schaltzuständen;
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3a, b die Gesamtketten in den Schaltzuständen der 2a, b jeweils in einer Variante des Schaltzustands;
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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. 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, 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 schaltbar, wie dies im Zusammenhang mit 2a, b und c erläutert wird:
Die 2a zeigt die LED-Gesamtkette 9 in einer schematischen Darstellung. Die LED-Gesamtkette 9 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 drei LED-Teilgruppen 11a, b, c, wobei jede LED-Teilgruppe 11a, b, c mindestens eine LED aufweist. Insbesondere weist jede LED-Teilgruppe 11a, b, c die gleiche Durchlassspannung (auch Vorwärtsspannung genannt) auf. Die LEDs in den LED-Teilgruppen 11a, b, c können – wie symbolisch in den 2a, b, c dargestellt – in jeder der LED-Teilgruppen 11a, b, c seriell (bzw. in Reihe) zueinander geschaltet sein. Bei abgewandelten Ausführungsbeispielen können die LEDs in den LED-Teilgruppen 11a, b, c auch parallel, seriell oder parallel und seriell gemischt zueinander verschaltet sein. In diesem Ausführungsbeispiel weist jede LED-Teilgruppe die gleiche Durchlassspannung auf.
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Die drei LED-Teilgruppen 11a, b, c sind in den in 2a, b, c gezeigten Gesamtketten 9 elektrisch seriell zueinander angeordnet. Die in Serie geschalteten LED-Teilgruppen 11a, b, c bilden in der LED-Gesamtkette 9 zugleich einen LED-Strang 8. Jedem der LED-Teilgruppen 11a, b, c ist eine Kurzschlusseinrichtung 12a, b, c zugeordnet, welche die entsprechende bzw. zugeordnete LED-Teilgruppen 11a, b, c überbrücken können. Damit bildet die Kurzschlusseinrichtung 12a, b, c einen schaltbaren Bypass für die zugeordneten LED-Teilgruppen 11a, b, c.
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In dem in der 2a gezeigten ersten Schaltungszustand I ist die Kurzschlusseinrichtungen 12a geöffnet und die Kurzschlusseinrichtungen 12b, c geschlossen. Die Durchlassspannung der Gesamtkette 9 zwischen Eingang E und Ausgang A entspricht somit der Durchlassspannung der LED-Teilgruppe 11a.
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In der 2b ist ein zweiter Schaltzustand II der gleichen Gesamtkette 9 dargestellt, wobei in dem Schaltzustand II die Kurzschlusseinrichtungen 12a und 12b geöffnet sind und die Kurzschlusseinrichtung 12c geschlossen ist, so dass die Durchlassspannung der Gesamtkette 9 zwischen Eingang E und Ausgang A der Summe der Durchlassspannungen der LED-Teilgruppen 11a, b entspricht.
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In der 2c ist ein dritter Schaltzustand III der Gesamtkette 9 dargestellt, wobei in diesem Schaltzustand III alle drei Kurzschlusseinrichtungen 12a, b, c geöffnet sind, so dass die Durchlassspannung der Gesamtkette 9 der Summe der Durchlassspannungen der LED-Teilgruppen 11a, b, c entspricht.
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In der 3a ist eine Variante zu dem Schaltzustand I in der 2a dargestellt, wobei statt der Kurzschlusseinrichtung 12a die Kurzschlusseinrichtung 12c geöffnet ist und die anderen zwei Kurzschlusseinrichtungen 12a, b geschlossen sind. In gleicher Weise ist in der 3b eine Variante des Schaltzustands II der 2b dargestellt, wobei statt der Kurzschlusseinrichtung 12c die Kurzschlusseinrichtung 12a geschlossen ist und die anderen Kurzschlusseinrichtungen 12b, c geöffnet sind.
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Bei jedem Übergang von einem Schaltungszustand zu einem nächsten Schaltungszustand wird zugleich die Durchlassspannung der Gesamtkette 9 geändert. Bezeichnet man die Durchlassspannung zwischen Eingang E und Ausgang A in der 2c als die maximale Durchlassspannung der Gesamtkette 9, so beträgt die Durchlassspannung in dem Schaltungszustand I in den 2a, 3a ein Drittel der maximalen Durchlassspannung der Gesamtkette 9. In dem Schaltzustand II in den 2b und 3b beträgt die Durchlassspannung zwei Drittel der maximalen Durchlassspannung in dem Schaltungszustand III.
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Die Steuereinrichtung 10 ist ausgebildet, die Gesamtkette 9 in die unterschiedlichen Schaltungszustände I, II, III 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 12a, b, c über Steuersignale von der als Mikrocontroller ausgebildeten Steuereinrichtung 10 gesteuert werden.
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Die 4 zeigt in einem schematischen Graph eine Halbwelle 13 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 13 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 der LED-Teilgruppe 11a 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 der LED-Teilgruppen 11a, b b. Sobald die Kettenspannung die dritte Durchlassspannung des dritten Schaltungszustands III der LED-Gesamtkette 9 überschritten hat, wird von der Steuereinrichtung 10 der Schaltungszustand III eingestellt, so dass alle drei LED-Teilgruppen 11a, b, c leuchten. Auf der absteigenden Flanke der Halbwelle 13 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 13 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 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 3a gezeigte Variante und in einer dritten Halbwelle eine weitere Variante des Schaltungszustands I aktiviert wird, wobei in der weiteren Variante die Kurzschlusseinrichtung 12b geöffnet ist. Sofern die Frequenz der Wechselspannungsversorgung ausreichend hoch ist, werden bei dieser Verteilung die drei LED-Teilgruppen 11a, b, c 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 bzw. 3a, b nur drei LED-Teilgruppen 11a, b, c 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 in Serie geschaltet sind.
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In der 5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren LED-Gesamtkette 9 gezeigt, welche mehrere LED-Stränge 8a, b, c aufweist, wobei weitere LED-Stränge möglich sind, wie durch die Punkte angedeutet ist. Jeder der LED-Stränge 8a, b, c umfasst in diesem Ausführungsbeispiel drei (oder mehr) LED-Teilgruppen 11a, b, c mit Kurzschlusseinrichtungen 12a, b, c und in Serie dazu geschaltet eine Sammelschalteinrichtung 15a, b, c, welche jeweils als ein steuerbarer Schalter ausgebildet ist und eine Unterbrechung des LED-Strangs 8a, b bzw. c ermöglicht. In dieser Ausgestaltung ist es möglich, zum einen über die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Kurzschlusseinrichtungen 12a, b, c in den verschiedenen LED-Strängen 8a, b, c 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 LED-Strängen 8a, b, c 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 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-Strängen 8a, b, c 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 13 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 13 während einer Aktivierungsdauer K die LED-Gesamtkette 9 zu überbrücken, während der die Kettenspannung niedriger als die niedrigste Durchlassspannung der Schaltungszustände I, II, III ist. Die Überbrückung erfolgt indem die Kurzschlusseinrichtungen 12a, b, c und die Sammelschalteinrichtungen 15a, b, c 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
- LED-Strang
- 9
- LED-Gesamtkette
- 10
- Steuereinrichtung
- 11
- LED-Teilgruppe
- 12, 12a, b, c
- Kurzschlusseinrichtung
- 13
- Halbwelle
- 14
- leer
- 15, 15a, b, c
- Sammelschalteinrichtung
- E
- Eingang
- A
- Ausgang
- t
- Zeit
- K
- Aktivierungsdauer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011105404 U1 [0004]
