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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von n parallel geschalteten Strängen mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle, mit n größer gleich 2, umfassend einen Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Koppeln mit einer Versorgungsgleichspannung, n Halbleiterlichtquellen-Einheiten umfassend jeweils eine Treibervorrichtung und einen Ausgang zum Koppeln mit mindestens einem Strang mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle, wobei diese n Halbleiterlichtquellen-Einheiten parallel zwischen den ersten und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt sind, wobei jede Treibervorrichtung einen PWM(Pulsweitenmodulation)-Controller mit einem Ansteuerausgang sowie einen Wandler umfasst, wobei jeder Wandler zumindest eine Wandlerinduktivität, eine Wandlerdiode und einen Wandlerschalter mit einer Steuerelektrode, einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode umfasst, wobei der Ansteuerausgang des jeweiligen PWM-Controllers mit der Steuerelektrode des jeweiligen Wandlerschalters gekoppelt ist, wobei der Ausgang des jeweiligen Wandlers mit dem Ausgang der jeweiligen Halbleiterlichtquellen-Einheit gekoppelt ist, wobei der jeweilige PWM-Controller ausgelegt ist, ein PWM-Signal bei einer jeweils vorgebbaren Frequenz an die Steuerelektrode des jeweiligen Wandlerschalters bereitzustellen, sowie n Strommessvorrichtungen, die ausgelegt und angeordnet sind, den Strom durch jeweils einen der n Stränge mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle zu messen, wobei jede Strommessvorrichtung mit der jeweils zugehörigen Treibervorrichtung gekoppelt ist.
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Stand der Technik
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In den nachfolgenden Ausführungen sind unter dem Begriff Halbleiterlichtquellen insbesondere Laserdioden und LEDs zu verstehen. Eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird beispielsweise zum Betreiben von Laserdioden in Videoprojektoren eingesetzt. Zur Einstellung des an die Laserdioden bereitgestellten Stroms wird ein stromgeregelter Step-Up-Konverter (Hochsetzsteller) verwendet. Üblicherweise sind dabei 24 bis 40 einzelne Laserdioden in drei bis fünf Strängen zu je sechs bis acht Laserdioden in Reihe geschaltet. Jeder Strang wird von einem eigenen Treiber gespeist, wobei die Taktfrequenz des jeweiligen im Treiber verwendeten PWM-Controllers durch einen ohmschen Widerstand eingestellt wird, der mit einem der Eingänge des PWM-Controllers gekoppelt ist. Diese Taktfrequenz bestimmt die Schaltfrequenz des zugehörigen Wandlerschalters.
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Ein mit einer derartigen Schaltungsanordnung ausgestattetes DLP-Projektionssystem zeigt jedoch unerwünschte, sichtbare Helligkeitsschwankungen des projizierten Bildes.
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Üblicherweise wird ein Laserdioden-Strang zur Realisierung eines Farbkanals verwendet. Ein System mit beispielsweise vier Halbleiterlichtquellen-Einheiten realisiert demnach ein Vierkanal-Projektionssystem.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, dass das Ausmaß dieser sichtbaren Helligkeitsschwankungen reduziert ist, bevorzugt keinerlei Helligkeitsschwankungen mehr erkennbar sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ursache für die Helligkeitsschwankungen darin liegt, dass der Gesamtlichtstrom aller Halbleiterlichtquellen wellig ist und relativ niederfrequente Schwebungen enthält, die durch unterschiedliche Schaltfrequenzen der Wandler bedingt sind. Dadurch, dass die Taktfrequenz des jeweiligen PWM-Controllers mittels ohmscher Widerstände eingestellt wird, und diese Bauteiltoleranzen aufweisen, weichen die Taktfrequenzen der jeweiligen PWM-Controller und damit die Schaltfrequenzen der jeweiligen Wandlerschalter geringfügig voneinander ab. Die einzelnen Halbleiterlichtquellen-Einheiten im genannten Stand der Technik werden demnach asynchron betrieben. Dies führt zu niederfrequenten Schwingungseffekten: Beträgt beispielsweise die Taktfrequenz eines ersten PWM-Controllers 500 kHz und die eines zweiten PWM-Controllers 499 kHz, so ergeben sich Anteile im Ausgangssignal bei der Differenzfrequenz F1 – F2 = 1 kHz und bei der Summenfrequenz F1 + F2 = 999 kHz. Der Anteil bei 999 kHz ist im Hinblick auf Helligkeitsschwankungen nicht relevant. Der Anteil bei 1 kHz ist jedoch kritisch und führt im Bild zu erkennbaren Helligkeitsschwankungen.
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Erfindungsgemäß werden deshalb die Schaltfrequenzen der einzelnen Treibervorrichtungen synchronisiert und ein Versatz der Phasen um 360° dividiert durch die Anzahl der Halbleiterlichtquellen-Einheiten eingestellt.
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Würde man, um die Welligkeit und damit die Schwebungen klein zu halten, jedem Strang mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle einen großen Kondensatorblock parallel schalten, so würde dies zwar die Helligkeitsschwankungen um einen bestimmten Betrag reduzieren, jedoch verschlechtert sich dadurch die Dynamik bei Sollwertänderungen, das heißt bei Änderungen des vom jeweiligen Kanal abzugebenden Solllichtstroms. Überdies führt die Verwendung von Kondensatorblöcken zu einem beträchtlichen Kostenaufwand und zu einer Erhöhung des erforderlichen Raumbedarfs der Schaltungsanordnung, was insbesondere für mobile Anwendungen unerwünscht ist. Nichtsdestotrotz kann auch bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dem jeweiligen Strang mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle ein Kondensator parallel geschaltet werden, jedoch kann dieser in Anbetracht der kaum mehr vorhandenen Welligkeit des Gesamtlichtstroms um Größenordnungen geringer ausfallen. Erfahrungsgemäß kann bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der Glättungsaufwand um mindestens den Faktor 10 verringert werden. Daraus resultiert eine deutliche Kostenersparnis sowie eine bisher nicht erreichte Dynamik bei Sollwertänderungen.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst daher weiterhin eine Steuervorrichtung mit n Steuerausgängen, wobei jeder PWM-Controller einen Takteingang aufweist, wobei jeweils ein Steuerausgang mit jeweils einem Takteingang der n PWM-Controller gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, an ihren n Steuerausgängen n Taktsignale bereitzustellen, die um 360°/n zueinander phasenverschoben sind.
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Dadurch ergibt sich eine Synchronisation in Frequenz und Phase, was zu einer Verhinderung niederfrequenter Schwebungen führt. Es bleibt lediglich eine geringe prinzipbedingte Restwelligkeit am Ausgang des jeweiligen Wandlers, die entweder zu keinen störenden Helligkeitsschwankungen mehr führt oder durch kleine, den Strängen mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle parallel geschaltete Kondensatoren bei äußerst geringem Aufwand beseitigt werden kann.
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Der Wandler umfasst bevorzugt einen Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller, je nach dem Niveau, der am Eingang bereitgestellten Versorgungsgleichspannung.
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Bevorzugt ist der jeweilige PWM-Controller ausgelegt, auf ein Taktsignal an seinem Takteingang hin ein korrespondierendes Ausgangssignal, insbesondere eine steigende oder fallende Flanke oder eine um eine vorgebbare Zeitdauer verzögerte Flanke eines PWM-Signals, an die Steuerelektrode des jeweiligen Wandlerschalters bereitzustellen, wobei der Duty-Cycle des PWM-Signals von dem von der jeweiligen Strommessvorrichtung gemessenen Strom bestimmt ist. Durch diese Regelung wird die Phasen- bzw. Frequenzsynchronisation nicht beeinträchtigt, wobei dennoch der Strom des jeweiligen Strangs mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle auf einen momentanen Sollwert geregelt werden kann.
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Bevorzugt ist seriell zu jedem Ausgang ein Schalter angeordnet, sodass der Strom durch den jeweiligen Strang mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle ein- und ausschaltbar ist.
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Auf diese Weise lässt sich die vorliegende Schaltungsanordnung besonders einfach beim Betrieb eines LARP(Laser Activated Remote Phosphor)-Projektionssystems einsetzen. Dieses kann nämlich ein Farbrad umfassen, wobei die einzelnen Abschnitte des Farbrads mit unterschiedlichen Leuchtstoffen beschichtet sind, sodass bei Anregung durch ein und dieselbe Laserquelle die Emission von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ermöglicht wird. Um einen unnötigen Energieverbrauch und damit aufwändige Kühlmaßnahmen zu vermeiden, ist seriell zu jedem Ausgang ein elektronischer Schalter gekoppelt und ermöglicht die Unterbindung die Emission von Laserstrahlung zu den Zeitpunkten, zu denen sich das Leuchtrad noch nicht in der vorgesehenen Stellung befindet.
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Die Steuervorrichtung stellt bevorzugt einen Taktgenerator, insbesondere realisiert als Mikrocontroller, dar. Sie kann jedoch auch insbesondere einen Oszillator mit nachfolgendem Phasenschieber darstellen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung in einer der Treibervorrichtungen, insbesondere in den PWM-Controller der Treibervorrichtung, integriert, sodass diese Treibervorrichtung einen Master darstellt und die anderen Treibervorrichtungen Slaves. Dies ermöglicht den Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf besonders kosteneffiziente Art und Weise.
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Wie bereits erwähnt, kann jedem Strang mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle mindestens ein Kondensator parallel geschaltet sein, der zur Glättung einer gegebenenfalls vorhandenen Restwelligkeit dient.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf verschiedener Größen einer aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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2 in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und
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3 in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf verschiedener Größen einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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In den nachfolgenden Ausführungen wird die Erfindung der Einfachheit halber am Beispiel einer Schaltungsanordnung mit lediglich zwei Halbleiterlichtquellen-Einheiten vorgestellt.
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Wie für den Fachmann offensichtlich, ist sie auf eine beliebige Anzahl von Halbleiterlichtquellen-Einheiten erweiterbar, so insbesondere auf n gleich 3, 4, 5, 6, usw.
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1 zeigt in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf verschiedener Größen einer gattungsgemäßen aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung. Mit I1 und I2 sind die von der jeweiligen Treibervorrichtung an die jeweiligen Stränge mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle bereitgestellten Ströme bezeichnet. UD1 und UD2 bezeichnen die Spannung an der Arbeitselektrode des jeweiligen Wandlerschalters der jeweiligen Halbleiterlichtquellen-Einheit gegenüber Bezugspotential und spiegeln damit den zeitlichen Verlauf der jeweiligen Schaltfrequenzen wieder. Wie deutlich zu erkennen ist, sind diese Schaltfrequenzen asynchron, sodass auch die Ströme I1 und I2, die jeweils eine gewisse Welligkeit aufweisen, asynchron verlaufen. Dies führt im Summenstrom I1 + I2 zu niederfrequenten Schwebungen und damit zum Verbleiben einer Restwelligkeit, die zu Helligkeitsschwankungen in einem projizierten Bild führen kann.
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2 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Diese umfasst einen Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss E1, E2, zwischen die zur Stabilisierung ein Kondensator C1 gekoppelt ist. Die Eingangsspannung Uin stellt eine Versorgungsgleichspannung dar, die beispielsweise 12 V betragen kann. Parallel zum Eingang ist eine erste Halbleiterlichtquellen-Einheit LE101 sowie eine zweite Halbleiterlichtquellen-Einheit LE102 gekoppelt. Jede Halbleiterlichtquellen-Einheit verfügt über eine Treibervorrichtung sowie einen Ausgang, an dem ein Strang mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle, vorliegend mindestens einer Laserdiode, ankoppelbar ist.
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Mit Bezug auf die erste Halbleiterlichtquellen-Einheit LE101 ist ein PWM-Controller IC101 vorgesehen, der beispielsweise vom Typ AT90PWM316 sein kann. Dieser ist mit seinem Versorgungsanschluss mit dem Eingangsanschluss E1 gekoppelt. Gestrichelt ist ein ohmscher Widerstand R110 eingezeichnet, der mit einem weiteren Eingang des IC101 gekoppelt ist und im Stand der Technik zur Einstellung der Schaltfrequenz des PWM-Controllers herangezogen wurde. Alternativ kann je nach verwendetem PWM-Controller auch ein Kondensator zum Einstellen der Schaltfrequenz des PWM-Controllers erforderlich sein. Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dient dieser Widerstand R110 dem Einstellen der Schaltfrequenz beim Anlauf der Schaltungsanordnung oder bei Ausfall der noch zu beschreibenden Steuervorrichtung 12.
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Mit dem Versorgungsanschluss sind zwei Kondensatoren C101 und C102 gekoppelt, die zur Stabilisierung der an den PWM-Controller bereitgestellten Versorgungsspannung dienen. Die Halbleiterlichtquellen-Einheit LE101 umfasst einen Wandler W101, der vorliegend als Hochsetzsteller ausgebildet ist und eine Wandlerinduktivität L101, eine Wandlerdiode D101 sowie einen Wandlerschalter T101 umfasst. Seriell zum Wandlerschalter T101 ist ein ohmscher Widerstand R116 gekoppelt, der zum Messen des Stroms durch die Wandlerinduktivität L101 dient.
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Dies ist nötig, um sicherzustellen, dass die Induktivität L101 nicht in Sättigung geht. Der Wandlerschalter T101 ist vorliegend als MOSFET ausgeführt, wobei die an seinem Drainanschluss abfallende Spannung mit UD1 bezeichnet ist. Die Ausgangsspannung des Wandlers D101 wird mittels fünf parallel geschalteter Kondensatoren C103 bis C107 geglättet. Der Ausgangsstrom I1 fließt zum Ausgangsanschluss A101, wobei er vorher noch durch einen Shuntwiderstand R118 fließt, der dazu dient, den Ausgangsstrom I1 zu messen. Zwischen den Ausgangsanschluss A101 und einen zweiten Ausgangsanschluss A102 ist ein Strang mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle S101 angeordnet, der bevorzugt mehrere seriell gekoppelte Halbleiterlichtquellen umfasst. Zwischen den Ausgangsanschluss A102 und ein Bezugspotential ist ein Transistor T103 angeordnet, der dazu dient, den Strang S101 mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle auf ein nicht dargestelltes entsprechendes Ansteuersignal hin ein- bzw. auszuschalten. Seriell zum Schalter T103 ist ein ohmscher Widerstand R120 angeordnet, wobei die über dem ohmschen Widerstand R120 abfallende Spannung zu weiteren Regelungsaufgaben eingesetzt werden kann.
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Die Halbleiterlichtquellen-Einheit LE102 ist entsprechend der Halbleiterlichtquellen-Einheit LE101 ausgebildet, wobei die Eingangstransistoren die Bezeichnung C201, C202 tragen, der PWM-Controller die Bezeichnung IC201, der Wandler die Bezeichnung W201, wobei der Wandlerschalter eine Wandlerinduktivität L201, eine Wandlerdiode D201 sowie einen Wandlerschalter T201 umfasst. Der seriell zum Wandlerschalter T201 angeordnete ohmsche Widerstand ist mit R216 und die an der Arbeitselektrode des Wandlerschalters T201 abfallende Spannung mit UD2 bezeichnet. Die Glättungskondensatoren tragen die Bezeichnung C203 bis C207. Der Ausgangsstrom ist mit I2 bezeichnet und der zur Regelung des Ausgangsstroms verwendete Shuntwiderstand mit R218. Der im Stand der Technik verwendete ohmsche Widerstand zum Einstellen der Schaltfrequenz des PWM-Controllers ist mit R210 bezeichnet. Der Ausgang der Halbleiterlichtquellen-Einheit LE102 umfasst Ausgangsanschlüsse A201 und A202, wobei zwischen diese Ausgangsanschlüsse ein Strang S102 mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle gekoppelt ist. Der Schalter zum Ein- und Ausschalten des Strangs S102 mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle ist mit T203 bezeichnet, wobei seriell zum Schalter T203 ein Widerstand R220 angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist eine Steuervorrichtung 12 vorgesehen, die einen ersten und einen zweiten Steuerausgang SA1, SA2 umfasst, die über ohmsche Widerstände R123 bzw. R223 mit jeweiligen Takteingängen TE101 bzw. TE201 des PWM-Controllers IC101 bzw. IC201 verbunden sind. Die Steuervorrichtung 12 ist ausgebildet, an den Steuerausgängen SA1, SA2 Taktsignale bereitzustellen, die um 180° zueinander phasenverschoben sind.
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Der jeweilige PWM-Controller IC101, IC201 ist ausgelegt, auf ein Taktsignal an seinem Takteingang TE101 bzw. T201 hin eine steigende oder fallende Flanke oder eine zeitlich verzögerte Flanke eines PWM-Signals an die Steuerelektrode des jeweiligen Wandlerschalters T101, T201 bereitzustellen, wobei der Duty-Cycle des PWM-Signals mit Hilfe des Stroms R118 bzw. R218 gemäß eines Stroms I1 bzw. I2 bestimmt ist. Sollen mehrere Halbleiterlichtquellen-Einheiten betrieben werden, so sind mehrere Steuerausgänge vorzusehen, wobei die Steuervorrichtung 12 dann ausgebildet ist, an ihren n Steuerausgängen n Taktsignale bereitzustellen, die um 360°/n zueinander phasenverschoben sind.
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Die Steuervorrichtung 12 ist bevorzugt als Taktgenerator realisiert, insbesondere als Mikrocontroller ausgeführt. Sie kann jedoch auch einen Oszillator mit einem nachfolgenden Phasenschieber darstellen. Besonders bevorzugt ist die Steuervorrichtung 12 in einer der Treibervorrichtungen IC101 bzw. IC201 integriert, sodass die eine Treibervorrichtung, beispielsweise IC101, einen Master darstellt und die anderen übrigen n – 1 Treibervorrichtungen, beispielsweise IC201, Slaves.
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3 zeigt die der 1 entsprechenden zeitlichen Verläufe der Drainspannungen UD1, UD2, der Ausgangsströme I1, I2 sowie des Summenstroms I1 + I2 für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Der besseren Auflösung wegen ist die Zeitachse jedoch um den Faktor Vier vergrößert. Wie am zeitlichen Verlauf der Drainspannungen UD1, UD2 deutlich zu erkennen ist, sind diese nunmehr um exakt 180° phasenverschoben. Dies resultiert darin, dass die Ströme I1, I2 ebenfalls synchronisiert sind, sodass der Summenstrom I1 + I2 nahezu keine Restwelligkeit mehr aufweist. Bei einem derartigen Summenstrom I1 + I2 sind bei einem Projektionssystem, das eine entsprechende erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst, keinerlei Helligkeitsschwankungen mehr erkennbar.
