DE102012207457A1 - Circuit for controlling e.g. LEDs of lamp or lamp system, has driver controlling LED-segments, including electronic switches, and coupled with rectified power supply voltage by separate voltage source - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen sowie eine Lampe, eine Leuchte oder ein Leuchtsystem mit einer solchen Schaltung. The invention relates to a circuit for driving semiconductor light elements and a lamp, a light or a lighting system with such a circuit.
Es ist bekannt, ein LED-Modul umfassend mehrere Leuchtdioden mittels eines einstufigen oder eines mehrstufigen Schaltnetzteils, das dem LED-Modul vorgeschaltet ist, zu betreiben. Weist das LED-Modul einen Leistungsbereich größer 25W auf, wird zusätzlich eine Powerfaktorkorrektur (PFC) benötigt. Bei geringen elektrischen Leistungen wird üblicherweise ein Linearregler eingesetzt.It is known to operate an LED module comprising a plurality of light-emitting diodes by means of a single-stage or multi-stage switching power supply which is connected upstream of the LED module. If the LED module has a power range greater than 25W, an additional power factor correction (PFC) is required. At low electrical power usually a linear regulator is used.
Oberhalb bestimmter Licht- bzw. Leistungsklassen, bei denen z.B. eine Vielzahl von LEDs in einem Modul oder in mehreren LED-Modulen betrieben werden sollen, sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen viele LED-Chips in Serie geschaltet sind. Die Vorwärtsspannung dieser Serienschaltung kann dabei in der Größenordnung der Netzspannung liegen. Above certain light or power classes where e.g. a plurality of LEDs are to be operated in one module or in a plurality of LED modules, circuit arrangements are known in which many LED chips are connected in series. The forward voltage of this series circuit can be of the order of the mains voltage.
In einer einfachen Ausführungsform werden in Reihe geschaltete LEDs direkt an dem Wechselspannungsnetz betrieben. Dies führt zu einer starken Lichtmodulation, einem sogenannten "Flickern", und einer energieineffizienten Nutzung der LEDs. Für höhere Leistungsklassen führt dieser Ansatz weiterhin zu Problemen mit normativen Vorgaben in Bezug auf Powerfaktor und Oberwellen.In a simple embodiment, LEDs connected in series are operated directly on the AC voltage network. This leads to a strong light modulation, a so-called "flicker", and an energy-inefficient use of LEDs. For higher power classes, this approach continues to cause problems with normative power factor and harmonic specifications.
Weiterhin ist bekannt, der Serienschaltung aus LEDs einen Gleichrichter vorzuschalten. Auch hier kommt es zu den vorstehend genannten Problemen. Furthermore, it is known to connect the series circuit of LEDs a rectifier. Again, there are the above problems.
Ferner ist bekannt, die Verschaltung der LED-Serienschaltung zeitsynchron mit der Netzspannungsmodulation zu verändern.Furthermore, it is known to change the interconnection of the LED series circuit in time synchronization with the mains voltage modulation.
So zeigt
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannte Lösung zu verbessern und eine effiziente Möglichkeit zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen anzugeben. The object of the invention is to improve the known solution and to provide an efficient way of controlling semiconductor light elements.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen. This object is achieved according to the features of the independent claims. Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zur Ansteuerung von Halbleiterleuchtelementen vorgeschlagen,
- – mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Segmenten, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Halbleiterleuchtelemente aufweisen,
- – wobei die Halbleiterleuchtelemente in zumindest zwei der Segmente unterschiedlich sind,
- – mit je einem Treiber zur Ansteuerung eines Segments, wobei der Treiber mindestens einen elektronischen Schalter aufweist, anhand dessen das Segment überbrückbar ist,
- – bei der die Treiber über mindestens eine Spannungsquelle mit der gleichgerichteten Netzspannung gekoppelt sind.
- With at least two segments connected in series, each having a plurality of semiconductor light elements connected in series,
- Wherein the semiconductor light elements are different in at least two of the segments,
- Each having a driver for driving a segment, wherein the driver has at least one electronic switch, by means of which the segment can be bridged,
- - In which the drivers are coupled via at least one voltage source with the rectified mains voltage.
Bei dem Treiber kann es sich um eine Schaltungsanordnung handeln, die zur Ansteuerung eines Segments einsetzbar ist. The driver may be a circuit arrangement that can be used to drive a segment.
Die Treiber werden somit von einer gleichgerichteten Netzspannung in Form einer pulsierenden Gleichspannung betrieben. Hierbei ist es von Vorteil, dass die Gleichrichtung der Netzwechselspannung keine Speicher (Kondensator) vorsehen muss. Insbesondere muss kein (glättender) Elektrolytkondensator vorgesehen sein, der für die gesamte Höhe der Netzspannung ausgelegt ist. Dies reduziert die Fehleranfälligkeit und ermöglicht eine kompaktere Bauweise der Schaltung. The drivers are thus operated by a rectified mains voltage in the form of a pulsating DC voltage. It is advantageous that the rectification of the mains AC voltage must provide no memory (capacitor). In particular, no (smoothing) electrolytic capacitor must be provided, which is designed for the entire height of the mains voltage. This reduces the susceptibility to errors and allows a more compact design of the circuit.
Mittels des elektronischen Schalters ist eine Schaltfunktion elektronisch ansteuerbar. Der elektronische Schalter kann einen Transistor, einen Mosfet einen Operationsverstärker, einen Komparator oder ein mit einer Schaltfunktion beaufschlagbares Bauteil umfassen. By means of the electronic switch, a switching function is electronically controlled. The electronic switch may comprise a transistor, a MOSFET, an operational amplifier, a comparator or a component which can be acted upon by a switching function.
Bei den Halbleiterleuchtelementen handelt es sich beispielsweise um LEDs, LED-Chips oder LED-Module. Auch kann ein Halbleiterleuchtelement mindestens eine OLED (organische Leuchtdiode) oder ein Modul mit mindestens einer OLED umfassen. The semiconductor light elements are, for example, LEDs, LED chips or LED modules. A semiconductor light-emitting element can also comprise at least one OLED (organic light-emitting diode) or a module with at least one OLED.
Durch die mindestens eine Spannungsquelle kann eine Offset-Spannung für die Treiber eingestellt werden. Auch ist es möglich, dass durch die mehreren Spannungsquellen die Ströme für die Halbleiterleuchtelemente der Segmente eingestellt, z.B. symmetrisiert. By means of the at least one voltage source, an offset voltage can be set for the drivers. It is also possible that the currents for the semiconductor light elements of the segments are adjusted by the multiple voltage sources, e.g. symmetrized.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Treiber über mindestens eine Spannungsquelle mit der gleichgerichteten Netzspannung gekoppelt sind. A further development consists in that the drivers are coupled to the rectified mains voltage via at least one voltage source.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass jeder Treiber über eine separate Spannungsquelle mit der gleichgerichteten Netzspannung gekoppelt ist. An additional embodiment is that each driver is coupled to the rectified mains voltage via a separate voltage source.
Eine Weiterbildung ist es, dass die mindestens eine Spannungsquelle realisierbar ist mittels:
- – eines Spannungsteilers;
- – einer Hilfsspannungsquelle;
- – einer Zenerdiode.
- - a voltage divider;
- An auxiliary power source;
- - a zener diode.
Auch ist es eine Möglichkeit, dass die Spannungsquelle ansteuerbar ist abhängig von einem Mittelwert der gleichgerichteten Netzspannung. It is also a possibility that the voltage source can be controlled depending on an average value of the rectified mains voltage.
So kann anhand der (steuerbaren) Spannungsquelle eine Beziehung zu der mittleren Netzspannung hergestellt werden. Anhand der Spannungsquellen für die mehreren Treiber ist es möglich, die Ströme für die Halbleiterleuchtelemente der Segmente zu symmetrisieren. Thus, based on the (controllable) voltage source, a relationship to the average mains voltage can be established. Based on the voltage sources for the multiple drivers, it is possible to symmetrize the currents for the semiconductor light elements of the segments.
Beispielsweise kann eine längerfristige Mittelung über eine Netzperiode oder über mehrere Netzperioden der Netzspannung erfolgen. Die (längerfristige) Mittelung kann abhängig von einem Spitzenwert, einem Mittelwert o.ä. erfolgen. Dabei kann die Netzspannung bereits gleichgerichtet sein oder es kann sich um eine Netzwechselspannung handeln. For example, a longer-term averaging can take place over a network period or over several network periods of the network voltage. The (longer term) averaging can depend on a peak, a mean, or the like. respectively. In this case, the mains voltage may already be rectified or it may be an AC mains voltage.
Eine zusätzliche Weiterbildung ist es, dass die Treiber mit einer gleichgerichteten Netzspannung versorgbar sind. An additional development is that the drivers can be supplied with a rectified mains voltage.
Eine Weiterbildung ist es, dass mindestens zwei der Segmente Halbleiterleuchtelemente aufweisen, die zumindest teilweise in ihren Vorwärtsspannungen, ihren Farben, ihren Größen, ihren Bauformen und/oder ihren Anzahlen unterschiedlich sind. A development is that at least two of the segments have semiconductor light elements which are at least partially different in their forward voltages, their colors, their sizes, their designs and / or their numbers.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass der Treiber ein Vergleichselement umfasst. Another development is that the driver comprises a predicate.
Das Vergleichselement kann z.B. ein Komparator sein oder einen solchen umfassen. Das Vergleichselement kann als (mindestens) ein Operationsverstärker oder als mindestens ein Transistor ausgeführt sein. The predicate may e.g. be a comparator or include such. The comparison element can be designed as (at least) one operational amplifier or as at least one transistor.
Das Vergleichselement vergleicht ein erstes Bezugspotential, z.B. eine Seite der gleichgerichteten Netzspannung, mit einem zweiten Bezugspotential, z.B. einem Potential am Ende oder in dem jeweiligen Segment. The comparison element compares a first reference potential, e.g. one side of the rectified mains voltage, with a second reference potential, e.g. a potential at the end or in the respective segment.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Segmente mit einem Stromregler in Reihe geschaltet sind. In particular, it is a development that the segments are connected in series with a current regulator.
Anhand des Stromreglers kann der Strom in den Segmenten vorgegeben sein. An dem Stromregler kann eine vorgegebene Spannung abfallen, z.B. diejenige Spannung, die nicht an den in Reihe geschalteten Halbleiterleuchtelementen abfällt.Based on the current controller, the current in the segments can be specified. At the current regulator, a predetermined voltage may drop, e.g. the voltage that does not drop across the serially connected semiconductor light elements.
Der Stromregler kann selbst einen Strom einstellen oder er kann genutzt werden, damit ein Strom eingestellt wird. The current regulator can self-adjust a current or it can be used to set a current.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass der Stromregler mittels einer Dimmung steuerbar ist. It is also a development that the current regulator can be controlled by means of dimming.
Eine Option besteht darin, dass der Stromregler gesteuert wird und damit eine Helligkeitsregelung (Dimmung) der Halbleiterleuchtelemente erreicht werden kann. Die Ansteuerung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, z.B. über ein Potentiometer, eine DALI-System, einen Mikrocontroller oder eine 1–10V-Schnittstelle. One option is that the current controller is controlled and thus a brightness control (dimming) of the semiconductor light elements can be achieved. The driving can be done in different ways, e.g. via a potentiometer, a DALI system, a microcontroller or a 1-10V interface.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der Stromregler ein resistives Element oder einen Linearregler aufweist. Furthermore, it is a development that the current controller has a resistive element or a linear regulator.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung weist das Segment mit der größten Vorwärtsspannung eine mindestens doppelt so große Vorwärtsspannung auf wie das Segment mit der geringsten Vorwärtsspannung. In the context of an additional development, the segment with the greatest forward voltage has at least twice as much forward voltage as the segment with the lowest forward voltage.
Beispielsweise kann das Segment mit der größten Vorwärtsspannung eine um mindestens 60% größere Vorwärtsspannung aufweisen wie das Segment mit der zweitgrößten Vorwärtsspannung. For example, the segment with the greatest forward voltage may have at least 60% greater forward voltage than the segment with the second largest forward voltage.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der elektronische Schalter des Treibers mit einer Schaltfrequenz aktiv ist, die mindestens die doppelte Netzfrequenz oder ein Vielfaches der Netzfrequenz aufweist. A next development is that the electronic switch of the driver is active with a switching frequency which has at least twice the network frequency or a multiple of the network frequency.
Insbesondere kann der Schalter desjenigen Treibers, der das Segment mit der größten Vorwärtsspannung ansteuert, mit einer Schaltfrequenz von mindestens 100Hz betrieben werden. In particular, the switch of the driver which drives the segment with the greatest forward voltage can be operated with a switching frequency of at least 100 Hz.
Eine Ausgestaltung ist es, dass mindestens einer der Treiber einen Kondensator aufweist, der parallel zu Halbleiterleuchtelementen des Segments angeordnet ist, dem der Treiber zugeordnet ist. An embodiment is that at least one of the drivers has a capacitor which is arranged parallel to semiconductor light elements of the segment to which the driver is assigned.
Insbesondere kann der Kondensator nur zu einem Teil der Halbleiterleuchtelemente des Segments parallel angeordnet sein.In particular, the capacitor may be arranged in parallel only to a part of the semiconductor light elements of the segment.
Eine Ausführungsform besteht darin, dass der Kondensator in oder zusammen mit demjenigen Treiber angeordnet ist, der das Segment mit der größten Vorwärtsspannung ansteuert. One embodiment is that the capacitor is arranged in or together with the driver which drives the segment with the greatest forward voltage.
Auch kann in mehreren Treibern je ein solcher (Puffer-)Kondensator angeordnet sein, wobei es sich vorzugsweise um diejenigen Treiber handelt, die die Segmente aus den mehreren Segmenten ansteuern, deren Halbleiterleuchtelemente die größten Vorwärtsspannungen aufweisen.Also, one such (buffer) capacitor can be arranged in each of several drivers, which are preferably those drivers which drive the segments from the several segments whose semiconductor light-emitting elements have the greatest forward voltages.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass der Kondensator über eine lösbare Verbindung austauschbar ausgeführt ist. A next embodiment is that the capacitor is designed to be interchangeable via a detachable connection.
Insbesondere kann dieser (Puffer-)Kondensator über die lösbare Verbindung an einem anderen Ort als die Schaltung angeordnet sein. So kann der Kondensator über die lösbare Verbindung einfach ausgetauscht werden. In particular, this (buffer) capacitor can be arranged over the detachable connection at a location other than the circuit. Thus, the capacitor can be easily replaced via the detachable connection.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass mindestens einer der Treiber eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Diode aufweist, wobei diese Reihenschaltung parallel zu den Halbleiterleuchtelementen des Segments angeordnet ist, das der Treiber ansteuert. It is also an embodiment that at least one of the drivers has a series circuit of a capacitor and a diode, wherein this series circuit is arranged parallel to the semiconductor light elements of the segment, which drives the driver.
Bei der Serienschaltung aus Kondensator und Diode handelt es sich um einen Spitzenwertdetektor für das jeweilige Segment.The series connection of capacitor and diode is a peak detector for the respective segment.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass mindestens eine Entkoppeldiode zwischen je zwei Segmenten angeordnet ist. Another development is that at least one decoupling diode is arranged between each two segments.
Auch ist es eine weitere Ausgestaltung, dass eine Einrichtung zur Mischung des von mehreren Segmenten bereitgestellten Lichts vorgesehen ist. It is also a further embodiment that a device for mixing the light provided by a plurality of segments is provided.
Beispielsweise kann eine Optik vorgesehen sein, anhand derer emittiertes Licht mehrere Halbleiterleuchtelemente gemischt wird. For example, it is possible to provide an optical system by means of which emitted light a plurality of semiconductor light-emitting elements is mixed.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass
- – der Treiber einen elektronischen Kurschluss-Schalter umfasst, anhand dessen das dem Treiber zugeordnete Segment kurzschließbar ist,
- – wobei der Basis-Anschluss des Kurzschluss-Schalters über ein erstes strombegrenzendes Element mit dem Kollektor-Anschluss eines elektronischen Vergleichs-Schalters verbunden ist,
- – wobei der Emitter-Anschluss des Vergleichs-Schalters mit einem Anschluss des Segments, dem der Treiber zugeordnet ist, verbunden ist,
- – wobei der Basis-Anschluss des Vergleichs-Schalters mit einem Pol der gleichgerichteten Netzwechselspannung verbunden ist.
- The driver comprises an electronic short-circuit switch, by means of which the segment assigned to the driver can be short-circuited,
- Wherein the base terminal of the short-circuiting switch is connected via a first current-limiting element to the collector terminal of an electronic comparison switch,
- Wherein the emitter terminal of the comparison switch is connected to a terminal of the segment to which the driver is assigned,
- - Wherein the base terminal of the comparison switch is connected to a pole of the rectified AC line voltage.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Kurzschluss-Schalter um einen pnp-Transistor und bei dem Vergleichs-Schalter um einen npn-Transistor. Entsprechend können in einer dazu dualen Ausführungsform auch pnp- und npn-Transistoren vertauscht ausgeführt sein mit entsprechender Potentialanpassung. Als Schalter können auch andere elektronische Schalter, z.B. Transistoren, Mosfets, o.ä. vorgesehen sein. For example, the short-circuit switch is a pnp transistor and the comparison switch is an npn transistor. Accordingly, in a dual embodiment, pnp and npn transistors can also be reversed with appropriate potential matching. As switches, other electronic switches, e.g. Transistors, Mosfets, or similar be provided.
An der Basis-Emitter-Strecke des Vergleichs-Schalters erfolgt ein Vergleich des Potentials an dem jeweiligen Segment (z.B. einem Vergleichspunkt innerhalb der LED-Kette) mit dem Potential der aktuellen gleichgerichteten Netzhalbwelle. Entsprechend kann eine Ansteuerung des jeweiligen Segments durch den Treiber abhängig von der Höhe der gleichgerichteten Netzwechselspannung erfolgen. At the base-emitter junction of the comparison switch, the potential at the respective segment (e.g., a comparison point within the LED string) is compared with the potential of the current rectified half-wave. Accordingly, an activation of the respective segment by the driver can take place as a function of the magnitude of the rectified mains alternating voltage.
Optional kann der Basis-Anschluss des Vergleichs-Schalters mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sein, die eine Offset-Spannung gegenüber dem Potential der gleichgerichteten Netzwechselspannung darstellt. Optionally, the base terminal of the comparison switch may be connected to a pole of a voltage source which represents an offset voltage with respect to the potential of the rectified AC line voltage.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Lampe, eine Leuchte oder ein Leuchtsystem mit einer Schaltung wie hierin beschrieben. The above object is also achieved by a lamp, a luminaire or a lighting system with a circuit as described herein.
Bei der Lampe, Leuchte oder bei dem Leuchtsystem kann es sich um eine LED-Lichtquelle handeln. The lamp, light or the lighting system may be an LED light source.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein. The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following schematic description of exemplary embodiments which will be described in detail in conjunction with the drawings. In this case, the same or equivalent elements may be provided with the same reference numerals for clarity.
Es zeigen: Show it:
Betrieb einer LED-Kette an einer NetzspannungOperation of an LED chain at a mains voltage
Eine LED-Kette umfasst mehrere Segmente (LED-Segmente), die miteinander in Reihe geschaltet sind. Zwischen den LED-Segmenten können ggf. weitere Bauteile angeordnet sein. Jedes LED-Segment kann eine Vielzahl von LEDs aufweisen, die miteinander in Reihe geschaltet sind. An LED chain comprises several segments (LED segments) connected in series with each other. If necessary, further components can be arranged between the LED segments. Each LED segment may have a plurality of LEDs connected in series with each other.
Eine Netzspannung bezeichnet eine Wechselspannung wie sie z.B. von einem elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellt wird. Die Netzspannung kann über einen Gleichrichter in gleichgerichtete Netzspannungshalbwellen (auch bezeichnet als "Halbwellen" oder "pulsierende Netzspannung") umgewandelt werden. Der Gleichrichter kann als ein Einweg- oder ein Zweiweg-Gleichrichter ausgeführt sein. A mains voltage refers to an alternating voltage as e.g. provided by an electrical supply network. The mains voltage can be converted via a rectifier into rectified mains half-waves (also referred to as "half-waves" or "pulsating mains voltage"). The rectifier may be implemented as a one-way or a two-way rectifier.
Zur Ansteuerung der in Reihe geschalteten LED-Segmente werden kombinatorische Möglichkeiten der den LED-Segmenten entsprechende Vorwärtsspannungen ausgenutzt. Entsprechend der Anzahl der in einem Segment in Reihe geschalteten LEDs ergibt sich eine Vorwärtsspannung. Durch unterschiedliche Anzahlen von in Reihe geschalteten LEDs ergeben sich unterschiedliche Vorwärtsspannungen für unterschiedliche LED-Segmente. Die Anzahl der LED-Segmente wird nachfolgend mit M bezeichnet.To control the series-connected LED segments combinatorial possibilities of the LED segments corresponding forward voltages are exploited. According to the number of LEDs connected in series in a segment, a forward voltage results. Different numbers of LEDs connected in series result in different forward voltages for different LED segments. The number of LED segments is denoted by M below.
Hierbei sei angemerkt, dass unterschiedliche LEDs gleichen oder unterschiedlichen Typs (z.B. unterschiedliche LED-Module und/oder LEDs mit unterschiedlichen Farben) in Reihe geschaltet sein können. Es ist auch möglich, dass einzelne LEDs eine Parallelschaltung mindestens eines Halbleiterleuchtelements umfassen. It should be noted that different LEDs of the same or different type (e.g., different LED modules and / or LEDs of different colors) may be connected in series. It is also possible for individual LEDs to comprise a parallel connection of at least one semiconductor light-emitting element.
Parallel zu mindestens einem LED-Segment, insbesondere parallel zu mehreren LED-Segmenten, können elektronische Schalter vorgesehen sein, die einzelne oder mehrere LED-Segmente kurzschließen. Durch Ansteuerung der elektronischen Schalter kann erreicht werden, dass die Spannung an den LED-Segmenten ULED(t) der gleichgerichteten Netzspannung Uin(t) (d.h. den oben genannten Halbwellen) folgt (bzw. nachgeführt wird):
Hierbei sind vorzugsweise die LED-Segmente unterschiedlich ausgeführt, d.h. weisen zumindest teilweise zueinander unterschiedliche Vorwärtsspannungen auf. Insbesondere weisen zumindest zwei der LED-Segmente unterschiedliche Anzahlen und/oder Typen von LEDs auf. Mit anderen Worten sind nicht alle LED-Segmente mit gleicher Anzahl LEDs gleichen Typs in gleicher Verschaltung bestückt. Damit werden die einzelnen LED-Segmente zu unterschiedlichen Zeitpunkten (während des Verlaufs der gleichgerichteten Netzspannung) und ggf. auch unterschiedlich häufig pro Netzperiode aktiviert bzw. deaktiviert, d.h. mit einer unterschiedlichen Frequenz betrieben. In this case, the LED segments are preferably designed differently, i. have at least partially mutually different forward voltages. In particular, at least two of the LED segments have different numbers and / or types of LEDs. In other words, not all LED segments with the same number of LEDs of the same type are equipped in the same interconnection. In this way, the individual LED segments are activated or deactivated at different times (during the course of the rectified mains voltage) and possibly also at different times per network period, ie. operated at a different frequency.
Es können zur Ansteuerung der Schalter (zur Überbrückung der LED-Segmente) auch Frequenzen verwendet werden, die höher als die Netzfrequenz sind. Dadurch gibt es eine Vielzahl kombinierbarer Schaltzustände, um die unterschiedlichen Schalter anzusteuern. Die Anzahl der möglichen Schaltzustände N ist damit wesentlich größer (2M) als die Anzahl der LED-Segmente M.It can be used to control the switch (to bridge the LED segments) and frequencies that are higher than the mains frequency. As a result, there are a large number of switchable states that can be combined in order to control the different switches. The number of possible switching states N is thus considerably larger (2 M ) than the number of LED segments M.
Die nachfolgende tabellarische Aufstellung zeigt beispielhaft Kombinationsmöglichkeiten bei einer Anordnung mit drei LED-Segmenten, wobei
- i
- den Schaltzustand,
- SWm
- mit m = 1
bis 3 den Schalter, - 0
- einen offenen Schalter,
- 1
- einen geschlossenen Schalter
- Uf1(I) bis Uf3(I)
- eine Vorwärtsspannung der nicht überbrückten LEDs bei dem Strom I für das LED-Segment 1
bis 3.
- i
- the switching state,
- SW m
- with m = 1 to 3 the switch,
- 0
- an open switch,
- 1
- a closed switch
- U f1 (I) to U f3 (I)
- a forward voltage of the non-bridged LEDs in the current I for the LED segment 1 to 3.
Die Restspannung
Aufgrund dieser geringen Restspannung kann der Stromregler beispielsweise als ein einfacher und kostengünstig zu realisierender Linearregler ausgeführt sein. Der Stromregler kann auch so ausgelegt sein, dass der Strom (nahezu) ideal der Netzspannung folgt, so dass ein Powerfaktor der Schaltung nahe 1,0 ist und keine (nennenswerten) Oberwellen auftreten. Because of this low residual voltage, the current regulator can be designed, for example, as a simple and cost-effective linear regulator. The current regulator may also be designed so that the current follows (almost) ideally the mains voltage, so that a power factor of the circuit is close to 1.0 and no (significant) harmonics occur.
Im Extremfall kann der Stromregler sogar entfallen, z.B. wenn die Dynamik der LED Kennlinie bei einer begrenzen Strommodulation ausreicht um die Abstände zwischen den Schaltstufen zu füllen. In extreme cases, the current regulator can even be omitted, e.g. if the dynamics of the LED characteristic with a limited current modulation is sufficient to fill the intervals between the switching stages.
Ein mögliche Dimensionierung der LED-Segmente besteht darin, dass ein erstes LED-Segment eine Anzahl A in Reihe geschalteter LEDs aufweist, ein anderes (nächstes) LED-Segment eine Anzahl A/2, ein weiteres LED-Segment eine Anzahl A/4, etc. Kennzeichnet z.B. ein Index m ein LED-Segment, so kann diese Beziehung dargestellt werden mit
Wird vereinfachend angenommen, dass die LED-Spannung Ui(I) stromunabhängig ist, d.h.
Die LED-Segmente
Eine Option besteht darin, dass der Stromregler gesteuert wird und damit eine Helligkeitsregelung (Dimmung) der Leuchtdioden erreicht werden kann. Die Ansteuerung kann auf unterschiedliche Arten, z.B. ein Potentiometer, eine DALI-System oder eine 1–10V-Schnittstelle erfolgen. One option is that the current controller is controlled and thus a brightness control (dimming) of the LEDs can be achieved. The drive can be implemented in different ways, e.g. a potentiometer, a DALI system or a 1-10V interface.
Eine Netzwechselspannung
Nebenbedingungen zur Optimierung der SchaltvorgängeAdditional conditions for optimizing the switching processes
Beispielweise kann die Anzahl der LEDs pro Segment als eine erste Größe und die Schaltfrequenz der elektronischen Schalter zur Überbrückung der LED-Segmente als eine zweite Größe bestimmt werden bzw. vorgegeben sein. Diese beiden Größen können mittels zwei oder drei der nachfolgend erläuterten Nebenbedingungen optimiert werden. Vorzugsweise sind die Nebenbedingungen für den ganzen Betriebsspannungsbereich oder zumindest für einen großen Teil des Betriebsspannungsbereichs erfüllt. For example, the number of LEDs per segment may be determined as a first quantity and the switching frequency of the electronic switches for bridging the LED segments may be determined as a second quantity. These two quantities can be optimized by means of two or three of the secondary conditions explained below. Preferably, the secondary conditions for the entire operating voltage range or at least for a large part of the operating voltage range are met.
Die ersten beiden Nebenbedingungen (A) und (B) lauten:
- (A) Ein unterbrechungsfreier Stromfluss (ohne Oberwellen) wird erreicht, wenn
Uin(t) – ULED(t) >= UP(t) (1) - (B) Eine Minimierung der Verlustleistung wird erreicht, wenn
INT(0..T)[(Uin(t) – ULED(t))·I(t)] => minimal (2) - INT(0...T)[...]
- einem Integral über eine Netzperiode
- (A) An uninterrupted flow of current (without harmonics) is achieved when
U in (t) - U LED (t)> = U P (t) (1) - (B) Minimization of power dissipation is achieved when
INT (0..T) [(U in (t) -U LED (t)) * I (t)] => minimum (2) - INT (0 ... T) [...]
- an integral over a network period
Eine weitere Optimierungsbedingung (C) kommt hinzu, wenn das Verhältnis der mittleren Ströme in den verschiedenen LED-Segmenten von Bedeutung ist, also z.B. die Stromdichte in allen LEDs gleich sein soll. Dies gilt insbesondere, wenn dieses Verhältnis der mittleren Ströme über den gesamten Betriebsspannungsbereich eingehalten werden soll.
- (C) Ein gewünschtes Verhältnis zwischen den Strömen in den LED-Segmenten wird erreicht, wenn
INT(0..T)[I(t)·SWm(t)]/(ISoll,m·T) = 1 für alle m (3) - SWm(t)
- einen Schaltrhythmus (0: Schalter ist geschlossen, 1: Schalter ist offen) für das Segment m zur Zeit t und
- ISoll,m
- einen gewünschte Strom für das LED-Segment m
- (C) A desired ratio between the currents in the LED segments is achieved when
INT (0..T) [I (t) * SW m (t)] / (I ref, m * T) = 1 for all m (3) - SW m (t)
- a switching rhythm (0: switch is closed, 1: switch is open) for the segment m at time t and
- I Soll, m
- a desired current for the LED segment m
Eine Alternative zu der Nebenbedingung (C) wäre es, wenn das Licht aller LED-Segmente so gemischt würde, dass Helligkeitsunterschiede keine (deutliche bzw. wahrnehmbare) Rolle spielen. In diesem Fall kann die Nebenbedingung (C) entfallen.An alternative to the constraint (C) would be if the light of all LED segments were mixed so that differences in brightness did not play a (significant) role. In this case, the constraint (C) can be omitted.
Auch ist es möglich, die LED-Chipgrößen und die Abstände zwischen den Chips in den LED-Segmenten unterschiedlich auszulegen, so dass die Stromdichten in den LED-Segmenten dem mittleren Strom des jeweiligen LED-Segments angepasst sind.It is also possible to design the LED chip sizes and the distances between the chips in the LED segments differently, so that the current densities in the LED segments are adapted to the average current of the respective LED segment.
Die Nebenbedingung (C) ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in den LED-Segmenten verschiedene Typen bzw. Sorten (z.B. Farben) von LEDs enthalten sind und die Ansteuerung der Schalter (Schaltrhythmus pro Segment i) verwendet wird, die Leistung bedarfsgerecht zu verteilen. Mögliche Anwendungen stellen eine elektronische Kalibrierung des Farbortes, ein Nachführen eines Weißpunktes über die Lebensdauer und Module mit einem einstellbaren Weißpunkt dar.The secondary condition (C) is particularly advantageous if the LED segments contain different types or types (for example colors) of LEDs and the activation of the switches (switching rhythm per segment i) is used to distribute the power as needed. Possible applications include an electronic calibration of the color locus, a tracking of a white point over the lifetime and modules with an adjustable white point.
Beispielhaft wird nachfolgend zur übersichtlichen Darstellung davon ausgegangen, dass die Schaltstufen i für einen bestimmten Strom I nach der LED Spannung Ui(I) aufsteigend sortiert sind. By way of example, it is assumed below for a clear representation that the switching stages i for a particular current I are sorted in ascending order according to the LED voltage U i (I).
Lösungsstrategie für die Nebenbedingungen (A) und (B)Solution strategy for the constraints (A) and (B)
Die Nebenbedingungen (A) und (B) werden dann optimal erfüllt, wenn
- – im 1.
und 3. Quadranten der Netzspannung, also bei steigender Netzspannung, der Wechsel vom Schaltzustand i zum nächsten Schaltzustand i + 1 dann erfolgt, wenn die Nebenbedingung (A) für den Schaltzustand i + 1 gerade erfüllt wird und - – im 2. und 4. Quadranten der Netzspannung, also bei sinkender Netzspannung, der Wechsel vom Schaltzustand i zum nächsten Schaltzustand i – 1 genau dann erfolgt wenn die Nebenbedingung (A) für den Schaltzustand i gerade nicht mehr erfüllt wird.
- - In the 1st and 3rd quadrant of the mains voltage, ie with increasing mains voltage, the change from the switching state i to the next switching state i + 1 then takes place when the secondary condition (A) for the switching state i + 1 is just fulfilled and
- - In the 2nd and 4th quadrant of the mains voltage, ie with decreasing mains voltage, the change from the switching state i to the next switching state i - 1 occurs exactly when the secondary condition (A) for the switching state i just is no longer met.
Dieses Schaltschema kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller mit einem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) erreicht werden. Alternativ können Schaltungen (siehe weiter unten) vorgesehen sein, die ohne Mikrocontroller auskommen und besonders kostengünstig realisierbar sind. This circuit diagram can be achieved for example by a microcontroller with an analog-to-digital converter (A / D converter). Alternatively, circuits (see below) may be provided, which manage without a microcontroller and are particularly cost-effective to implement.
Für eine ideale sinusförmige Netzspannung
- w = 2·pi·f
- die Netzfrequenz (wird auch mit dem kleinen griechischen Buchstaben Omega abgekürzt) und
- I(t)
- den eingeprägten Strom des Stromreglers
- w = 2 · pi · f
- the mains frequency (also abbreviated to the small Greek letter Omega) and
- I (t)
- the impressed current of the current controller
Mit der vereinfachenden Annahme
Lösungsstrategie für die Nebenbedingung (C) Die Nebenbedingung (C) kann z.B. mittels der nachfolgend dargestellten Maßnahmen erfüllt bzw. verbessert werden:
- (i) Bei ansteigender Netzspannung (im 1.
und 3. Quadranten) werden Schaltzeitpunkteti’ = ti + dti - (ii) Die Kurvenform des eingeprägten Stromes I(t) des Stromreglers wird so modifiziert, dass die Nebenbedingung (C) besser erfüllt wird.
- (iii) Die Anzahlen der LEDs pro LED-Segment werden so bestimmt, dass die Nebenbedingung (C) besser erfüllt wird.
- (i) With increasing mains voltage (in the 1st and 3rd quadrant) switching times
t i '= t i + dt i - (ii) The waveform of the impressed current I (t) of the current controller is modified so as to better satisfy the constraint condition (C).
- (iii) The numbers of LEDs per LED segment are determined so that the constraint condition (C) is better satisfied.
Die Maßnahme (i) kann in der Regel die Nebenbedingung (C) vollständig erfüllen, hat jedoch den Nachteil, dass die Nebenbedingung (B) dadurch (leicht) verletzt wird. Insgesamt kann dies zu einer geringfügig erhöhten Verlustleistung führen. The measure (i) can generally fully satisfy the constraint (C), but has the disadvantage that the constraint (B) is thereby (slightly) violated. Overall, this can lead to a slightly increased power loss.
Die Werte dti sind vorzugsweise Gegenstand einer numerischen Optimierung als Funktion der mittleren Eingangsspannung Uin. Die Werte ti’ können beispielsweise in einem Speicher eines Mikrocontrollers für alle Eingangsspannungen Uin abgelegt sein. The values dt i are preferably the subject of a numerical optimization as a function of the mean input voltage U in . The values t i 'may, for example, be stored in a memory of a microcontroller for all input voltages U in .
Die Maßnahme (ii) ist beispielsweise durch Vorgaben an den Powerfaktor und die Oberwellen begrenzt. Diese Beschränkung hängt gemäß den einschlägigen Normen von der Leistungsklasse (z.B. größer oder kleiner als 25W) ab. Eine Stromkomponente mit der Frequenz der dritten Netzoberwelle ist in gewissen Grenzen in den Normen erlaubt und wirkt sich gegebenenfalls auch positiv auf die Nebenbedingung (C) aus.The measure (ii) is limited for example by specifications of the power factor and harmonics. This limitation depends on the performance class (e.g., greater or less than 25W) as required by applicable standards. A current component with the frequency of the third mains harmonic is allowed within certain limits in the standards and possibly has a positive effect on the secondary condition (C).
Die Maßnahme (ii) kann z.B. erreicht werden durch Modifikation der Ansteuerung des Stromreglers
Die Maßnahme (iii) kann für nur einen Betriebsspannungspunkt optimiert werden.The measure (iii) can be optimized for only one operating voltage point.
Beispielsweise können die Maßnahmen (iii) und ggf. auch (ii) für die Nennspannung optimiert werden. Mit der Maßnahme (i) kann dann eine Korrektur über den gesamten Betriebsspannungsbereich erfolgen. For example, the measures (iii) and possibly also (ii) can be optimized for the rated voltage. The measure (i) can then be corrected over the entire operating voltage range.
Beispielhafte Konkretisierung Exemplary concretization
Eine ideale Verzögerung der Schaltzeit dti kann ggf. nicht rein analytisch bestimmt werden und ist womöglich auch nicht eindeutig.An ideal delay of the switching time dt i may possibly not be determined purely analytically and may also not be unique.
Es gibt mehr Schaltzeiten dti als LED-Segmente vorhanden sind. Damit gibt es mehr Stellgrößen als für die Erfüllung der Nebenbedingungen erforderlich sind. Das Optimierungsproblem kann numerisch als nichtlineares Optimierungsproblem gemäß der Nebenbedingung (C) unter Berücksichtigung (Einhaltung) der Nebenbedingung (A) gelöst werden. Hierbei kann die Nebenbedingung (B), wie vorstehend erläutert, in gewissem Maße verletzt werden. There are more switching times dt i as LED segments are present. Thus, there are more manipulated variables than are required for the fulfillment of the secondary conditions. The optimization problem can be solved numerically as a nonlinear optimization problem according to the constraint (C) taking into account (compliance) the constraint (A). Here, the constraint (B), as explained above, can be violated to some extent.
Als eine Optimierungsgröße Eerr(Uin, ti’) kann z.B. die Summe der Fehlerquadrate, also Abweichungen der Segment Ströme vom jeweiligen Sollstrom des LED-Segments verwendet werden. For example, the sum of the error squares, that is to say deviations of the segment currents from the respective nominal current of the LED segment, can be used as an optimization quantity E err (U in , t i ').
Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel für eine solche Optimierungsaufgabe betrachtet. Es wird von einer vierstufigen Anordnung (vier LED-Segmente) mit folgenden Parametern ausgegangen: Das erste LED-Segment weist 6 in Reihe geschaltete LEDs, das zweite LED-Segment weist 12 in Reihe geschaltete LEDs, das dritte LED-Segment weist 24 in Reihe geschaltete LEDs und das vierte LED-Segment weist 51 in Reihe geschaltete LEDs auf. Weiterhin gelten die folgenden Beziehungen:
Eine theoretische Effizienz ist eine Funktion der Eingangsspannung und ein Maß für die Asymmetrie der mittleren Stromverteilung zwischen den Segmenten. Die theoretische Effizienz effth berechnet sich dabei aus dem Verhältnis der LED Spannung Ui zu allen anderen Spannungsabfällen. Mögliche dynamische Schalverluste werden hierbei zur vereinfachten Darstellbarkeit nicht berücksichtigt.
Hierbei kann fast über den gesamten Betriebsspannungsbereich eine elektrische Effizienz von mehr als 90% erreicht werden. Die Schaltspannungen der einzelnen elektronischen Schalter, die jeweils einem der vier LED-Segmente parallel geschaltet sind, sind beispielsweise fest eingestellt und folgen den Nebenbedingungen (A) und (B), wodurch sich eine optimierte Effizienz ergibt. In this case, almost over the entire operating voltage range, an electrical efficiency of more than 90% can be achieved. The switching voltages of the individual electronic switches, which are each connected in parallel to one of the four LED segments, are for example fixed and follow the secondary conditions (A) and (B), resulting in an optimized efficiency.
Beispielhafte Optimierung der LED EffizienzExemplary optimization of LED efficiency
Zusätzlich kann eine Strommodulation durch die Stromvorgabe I(t) in dem Stromregler sowie der Schaltrhythmus bei der Ansteuerung der elektronischen Schalter zu einer unerwünschten Lichtmodulation und zu einer suboptimalen Effizienz des LED-Betriebs führen. In addition, a current modulation by the current setting I (t) in the current regulator as well as the switching rhythm in the control of the electronic switches can lead to an undesired light modulation and to a suboptimal efficiency of the LED operation.
Die Verringerung der LED Effizienz ist eine Folge des sogenannten Droop Effektes. Der höhere Strom in den zeitlich begrenzten Einschaltphasen der LED-Segmente führt im Vergleich zu einem kontinuierlichen Konstantstrombetrieb mit gleichem Strommittelwert zu einer reduzierten Effizienz. Für die gleiche Effizienz wie im kontinuierlichen Konstantstrombetrieb müsste eine größere Chipfläche verwendet werden, um die Stromdichte in den LED-Chips zu senken. Anders ausgedrückt ist die Chipflächennutzung im getakteten Betrieb schlechter als im Konstantstrombetrieb.The reduction in LED efficiency is a consequence of the so-called droop effect. The higher current in the time-limited switch-on phases of the LED segments leads to a reduced efficiency compared to a continuous constant current operation with the same average current. For the same efficiency as in continuous constant current operation, a larger chip area would have to be used to lower the current density in the LED chips. In other words, chip area utilization is worse in clocked mode than in constant current mode.
Die in
Der Schalter SW3 ist parallel zu der Serienschaltung aus Diode D1 und LED-Segment
Zusätzlich ist in
Die Schaltung gemäß
Die Entkoppeldioden D1 und D2 zwischen den LED-Segmenten verhindern die Entladung der Kondensatoren C2 und C3 über die Schalter.The decoupling diodes D1 and D2 between the LED segments prevent the discharge of the capacitors C2 and C3 via the switches.
Um ein unerwünschtes Flickern mit der doppelten Netzfrequenz zu verhindern, kann das LED-Segment mit der höchsten Vorwärtsspannung (im Beispiel gemäß
Die verbleibenden LED-Segmente können z.B. mit einer höheren Frequenz als der doppelten Netzfrequenz betrieben werden und tragen daher kaum oder gar nicht zu einem wahrnehmbaren Flickern bei. The remaining LED segments may be e.g. be operated with a frequency higher than twice the mains frequency and therefore contribute little or no noticeable flicker.
Hierbei ist es von Vorteil, dass der Pufferkondensator (im Beispiel der
Vorzugsweise können alle LED-Segmente (insbesondere solche LED-Segmente mit einer Vorwärtsspannung, die höher als ein vorgegebener Schwellwert ist) mit parallelgeschalteten Kondensatoren gepuffert werden. Umfasst ein LED-Segment jedoch wenige LEDs oder nur eine einzelne LED, kann der Pufferkondensator entfallen (siehe diesbezüglich beispielhaft LED-Segment
Eine vorteilhafte Ausführung besteht darin, nur diejenigen LED-Segmente mit parallelgeschalteten Kondensatoren zu versehen ("zu puffern"), die die meisten in Reihe geschalteten LEDs bzw. die größten Vorwärtsspannungen aufweisen. Beispielsweise kann nur dasjenige LED-Segment mit der größten Vorwärtsspannung oder aber die beiden LED-Segmente mit den größten Vorwärtsspannungen entsprechend gepuffert werden. An advantageous embodiment consists in providing ("buffering") only those LED segments with capacitors connected in parallel, which have the most series-connected LEDs or the greatest forward voltages. For example, only the LED segment with the greatest forward voltage or the two LED segments with the largest forward voltages can be buffered accordingly.
Die für die Kondensatoren erforderliche Kapazität ist für alle LED-Segmente beispielsweise in etwa gleich, da der verfügbare Spannungshub bei den kürzeren Ketten zwar abnimmt, aber gleichzeitig die Frequenz bei den kürzeren Ketten höher ist.For example, the capacitance required for the capacitors is approximately the same for all LED segments because the available voltage swing decreases with the shorter chains, but at the same time the frequency is higher for the shorter chains.
Am Beispiel der vorstehend gezeigten tabellarischen Aufstellung ist zu erkennen, dass sich für jeweils die halbe Spannung, und damit verbunden den halben Spannungshub dUm, die Frequenz im Schaltrhythmus verdoppelt. Die zu überbrückenden stromlosen Phasen der Dauer dtm sind also nur halb so lang. Für den gleichen Sollstrom ISoll,m (symmetrisch) sind bspw. alle Kondensatoren Cm gleich dimensioniert. Die Spannungsbelastungen sind dabei unterschiedlich:
Automatische Erzeugung des SchaltrhythmusAutomatic generation of the switching rhythm
Die Ansteuerung der Schalter in
Wie bereits im Hinblick auf
Eine Serienschaltung aus dem LED-Segment
Der Schalter SW3 ist parallel zu der Serienschaltung aus LED-Segment
Der Schalter SW3 wird über den Ausgang eines Komparators
Der Schalter SW2 wird über den Ausgang eines Komparators
Der Schalter SW1 wird über den Ausgang eines Komparators
Die Ansteuerung der elektronischen Schalter SW1 bis SW3 erfolgt gemäß
Die Spannungsdifferenz zwischen dem Bezugspotential des LED-Segments m (am oberen Ende des jeweiligen LED-Segments) und dem Knoten
Diese Spannungsdifferenz USm umfasst auch den Spannungsabfall aller zwischen dem LED-Segment m und dem Knoten
Die Spannung des LED-Segments m kann vom Komparator direkt gemessen werden, wenn die Kette über einen Puffer Kondensator Cm verfügt. Andernfalls kann die Spannung an dem LED-Segment über eine analoge Referenzspannung oder über eine Abtast-Halte-Schaltung ("Sample and Hold"-Schaltung) nachgebildet werden.The voltage of the LED segment m can be measured directly by the comparator if the chain has a buffer capacitor C m . Otherwise, the voltage on the LED segment may be replicated via an analog reference voltage or via a sample-and-hold circuit.
Eine Netzwechselspannung
Ein Modul
Der Anschluss
Der Knoten
Der Knoten
Der Anschluss
Der Anschluss
Der Knoten
Der Knoten
Der Knoten
Beispielhaft weist die in
Um die vorstehend erläuterte Nebenbedingung (A) zu erfüllen, ist es ggf. von Vorteil, die Spannungsdifferenz USm als Vergleichswert zur jeweiligen LED Kettenspannung Ui geringfügig zu verringern. So können parasitäre Spannungsabfälle Up an den Entkoppeldioden
Die Spannungsquelle
Nebenbedingung (C) & SymmetrisierungSecondary condition (C) & symmetrization
Im Unterschied zu
Die Spannungsquellen
Die Spannungsquellen
Analog zur numerischen Lösung des nichtlinearen Optimierungsproblems für die Nebenbedingung (C) für den Fall der zeitgesteuerten Schaltungsanordnung gemäß den obigen Ausführungen, können auch die optimalen Werte für die Spannungsquellen UOi(Uin) als Funktion der effektiven Eingangsspannung Uin,eff bestimmt werden.Analogous to the numerical solution of the nonlinear optimization problem for the constraint condition (C) in the case of the timed circuit arrangement according to the above statements, the optimum values for the voltage sources UO i (U in ) can also be determined as a function of the effective input voltage U in, eff .
Dies kann z.B. erreicht werden durch eine numerische Optimierung, wobei eine Fehlerfunktion Err als Funktion der Spannungen an den Spannungsquelle UOm anstatt der Zeiten ti ausgedrückt wird. This can be achieved, for example, by a numerical optimization, wherein an error function E rr is expressed as a function of the voltages at the voltage source UO m instead of the times t i .
Somit kann die Asymmetrie beispielhaft durch die Fehlerfunktion Err erfasst werden. Die Fehlerfunktion Err wird z.B. abhängig von den Spannungen UOm(Uin) ermittelt. Thus, the asymmetry can be detected by the error function E rr , for example. The error function E rr is determined, for example, as a function of the voltages UO m (U in ).
Die Spannungen UOm(Uin) können im Rahmen einer Optimierung für alle Eingangsspannungen Uin so angepasst werden, dass die Fehlerfunktion minimal wird. The voltages UO m (U in ) can be adjusted as part of an optimization for all input voltages U in such a way that the error function is minimal.
Alternativ oder zusätzlich kann die Fehlerfunktion Err als eine Funktion der Länge der Halbleiterleuchtelemente (z.B. die Anzahl der (jeweiligen) Halbleiterleuchtelemente) und/oder als eine Funktion über die Spannungsquellen ausgedrückt werden. Im Rahmen der numerischen Optimierung kann demnach eine günstige Auslegung bestimmt werden unter Berücksichtigung z.B. der Freiheitsgrade: Anzahl der Halbleiterleuchtelemente, Anzahl der Segmente, Einstellung der Spannungsquellen (pro Segment), Stromform (Oberwellen). Alternatively or additionally, the error function E rr may be expressed as a function of the length of the semiconductor light elements (eg, the number of (respective) semiconductor light elements) and / or as a function of the voltage sources. In the context of numerical optimization, therefore, a favorable design can be determined taking into account, for example, the degrees of freedom: number of semiconductor light elements, number of segments, adjustment of voltage sources (per segment), current waveform (harmonics).
Beispielsweise können in einer Anordnung mit M LED-Segmenten M frei wählbare Parameter UOm(Uin) zu Optimierung der Nebenbedingung (C) zur Verfügung stehen. For example, in an arrangement with M LED segments M freely selectable parameters UO m (U in ) to optimize the constraint (C) are available.
Zusätzliche beispielhafte ImplementierungenAdditional exemplary implementations
Der Knoten
Der Knoten
Der Knoten
Der Knoten
Der Knoten
Im Hinblick auf
Beispielhaft weist die in
Der Kondensator
Die Kondensatoren
Auch die Dioden
Durch die Dimensionierung der in
Die Kombination aus Kondensator
Die Transistoren
Der Widerstand
Hierbei sei angemerkt, dass die in Reihe geschalteten LEDs pro Stufe ein LED-Segment darstellen. Jedes LED-Segment wird über einen separaten Treiber angesteuert, der im Beispiel von
In
Eine Netzwechselspannung
Der Knoten
Der Knoten
Hierbei sei angemerkt, dass die Anzahl der Dioden
Der Knoten
Der Knoten
Die Module
- – an dem Modul
813 : 150V, - – an dem Modul
814 : 70V, - – an dem Modul
815 : 30V und - – an dem Modul
816 : 10V.
- - on the module
813 : 150V, - - on the module
814 : 70V, - - on the module
815 : 30V and - - on the module
816 : 10V.
Im Hinblick auf
Beispielhaft weist die in
Weitere Vorteile:Other advantages:
Die vorliegende Betriebsschaltung für LEDs weist eine hohe Effizienz auf und kann mit geringen Kosten hergestellt werden. Vorteilhaft ist es möglich, die elektrische Leistung gleichmäßig bzw. mit einer hohen Gleichmäßigkeit über die LED-Segmente zu verteilen. Optional kann die Leistungsverteilung entlang der LED-Kette gesteuert werden. Die vorgestellte Lösung erlaubt weiterhin einen Powerfaktor nahe 1,0 und damit geringe bzw. gut kontrollierbare Oberwellen. Die Schaltung ist zentral dimmbar, z.B. über einen einstellbaren Linearregler. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Bauraum, da keine magnetischen Komponenten (Drosseln o.ä.) benötigt werden. Auch hieraus folgt eine gute elektromagnetische Verträglichkeit. The present operating circuit for LEDs has a high efficiency and can be manufactured at a low cost. Advantageously, it is possible to distribute the electrical power evenly or with a high degree of uniformity over the LED segments. Optionally, the power distribution can be controlled along the LED chain. The proposed solution also allows a power factor close to 1.0 and thus low or easily controllable harmonics. The circuit is centrally dimmable, e.g. via an adjustable linear regulator. Another advantage is the small installation space, since no magnetic components (throttles or similar) are required. Also from this follows a good electromagnetic compatibility.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101–103 101-103
- LED-Segment LED segment
- 104 104
- Stromregler current regulator
- 105 105
- Netzwechselspannung AC line voltage
- 106 106
- Gleichrichter rectifier
- SW1 bis SW3 SW 1 to SW 3
- (elektronischer) Schalter (electronic) switch
- C1 bis C3 C1 to C3
- Kondensator capacitor
- D1 bis D3 D1 to D3
- (Entkoppel-)Diode (Decoupling) diode
- 301–302 301-302
- Knoten node
- 303 303
- Komparator comparator
- 304–307 304-307
- Widerstand resistance
- 308 308
- Komparator comparator
- 309–312 309-312
- Widerstand resistance
- 313 313
- Komparator comparator
- 314–317 314-317
- Widerstand resistance
- 401–403 401-403
- Spannungsquelle voltage source
- 501 501
- Netzwechselspannung AC line voltage
- 502 502
- Gleichrichter rectifier
- 503–504 503-504
- Knoten node
- 505 505
- Diode diode
- 506–507 506-507
- Widerstand resistance
- 508 508
- pnp-Transistor PNP transistor
- 509 509
- Spannungsquelle voltage source
- 510–517 510-517
- Widerstand resistance
- 518–521 518-521
- Modul (LED-Segment oder Teil eines LED-Segments)Module (LED segment or part of an LED segment)
- 522a–522d 522a-522d
-
Modul (siehe
6 ) Module (see6 ) - 523–528 523-528
-
Anschlüsse des Moduls
522a –522d Connections of themodule 522a -522d - 529–530 529-530
- Knoten node
- 531 531
- Widerstand resistance
- 601–603 601-603
- Diode diode
- 604–605 604-605
- LED LED
- 606 606
- Knoten node
- 607 607
- Mosfet Mosfet
- 608 608
- Widerstand resistance
- 609–610 609-610
- Kondensator capacitor
- 611 611
- npn-Transistor npn transistor
- 612–613 612-613
- pnp-Transistor PNP transistor
- 614–616 614-616
- Widerstand resistance
- 617 617
- npn-Transistor npn transistor
- 618 618
- Widerstand resistance
- 619 619
- npn-Transistor npn transistor
- 620 620
- Diode diode
- 621 621
- Knoten node
- 701 701
- Netzwechselspannung AC line voltage
- 702 702
- Gleichrichter rectifier
- 703–704 703-704
- Knoten node
- 705 705
- Widerstand resistance
- 706 706
- Diode diode
- 707–710 707-710
- Modul module
- 711 711
- Widerstand resistance
- 712–713 712-713
- LED LED
- 714 714
- Kondensator capacitor
- 715 715
- Diode diode
- 716 716
- Kondensator capacitor
- 717 717
- pnp-Transistor PNP transistor
- 718 718
- Widerstand resistance
- 719 719
- npn-Transistor npn transistor
- 720 720
- Widerstand resistance
- 721 721
- Diode diode
- 722–723 722-723
- LED LED
- 724 724
- Kondensator capacitor
- 725 725
- Diode diode
- 726 726
- Kondensator capacitor
- 727 727
- pnp-Transistor PNP transistor
- 728 728
- Widerstand resistance
- 729 729
- npn-Transistor npn transistor
- 730 730
- Widerstand resistance
- 731 731
- Diode diode
- 732–733 732-733
- LED LED
- 734 734
- Kondensator capacitor
- 735 735
- Diode diode
- 736 736
- Kondensator capacitor
- 737 737
- pnp-Transistor PNP transistor
- 738 738
- Widerstand resistance
- 739 739
- npn-Transistor npn transistor
- 740 740
- Widerstand resistance
- 741 741
- Diode diode
- 742–743 742-743
- LED LED
- 744 744
- Kondensator capacitor
- 745 745
- Diode diode
- 746 746
- Kondensator capacitor
- 747 747
- pnp-Transistor PNP transistor
- 748 748
- Widerstand resistance
- 749 749
- npn-Transistor npn transistor
- 750 750
- Widerstand resistance
- 751 751
- Diode diode
- 752 752
- npn-Transistor npn transistor
- 753 753
- Widerstand resistance
- 754 754
- Spannungsquelle voltage source
- 755–764 755-764
- Knoten node
- 801 801
- Netzwechselspannung AC line voltage
- 802 802
- Gleichrichter rectifier
- 803 803
- Knoten node
- 805 805
- Knoten node
- 808–810 808-810
- Widerstand resistance
- 811 811
- npn-Transistor npn transistor
- 812 812
- Diode diode
- 813–816 813-816
- Modul module
- 817–818 817-818
- LED LED
- 819 819
- Kondensator capacitor
- 820 820
- pnp-Transistor PNP transistor
- 821 821
- Widerstand resistance
- 822 822
- npn-Transistor npn transistor
- 823 823
- Widerstand resistance
- 824–825 824-825
- Diode diode
- 826–827 826-827
- LED LED
- 828 828
- Kondensator capacitor
- 829 829
- pnp-Transistor PNP transistor
- 830 830
- Widerstand resistance
- 831 831
- npn-Transistor npn transistor
- 832 832
- Widerstand resistance
- 833–834 833-834
- Diode diode
- 835–836 835-836
- LED LED
- 837 837
- Kondensator capacitor
- 838 838
- pnp-Transistor PNP transistor
- 839 839
- Widerstand resistance
- 840 840
- npn-Transistor npn transistor
- 841 841
- Widerstand resistance
- 842–843 842-843
- Diode diode
- 844–845 844-845
- LED LED
- 846 846
- Kondensator capacitor
- 847 847
- pnp-Transistor PNP transistor
- 848 848
- Widerstand resistance
- 849 849
- npn-Transistor npn transistor
- 850 850
- Widerstand resistance
- 851 851
- Diode diode
- 852–855 852-855
- Spannungsquelle voltage source
- 856–864 856-864
- Knoten node
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102010040266 A1 [0007] DE 102010040266 A1 [0007]
Claims (20)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201210207457 DE102012207457A1 (en) | 2012-05-04 | 2012-05-04 | Circuit for controlling e.g. LEDs of lamp or lamp system, has driver controlling LED-segments, including electronic switches, and coupled with rectified power supply voltage by separate voltage source |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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