DE102013104084B3

DE102013104084B3 - Vorschaltgerät für LED-Leuchtmittel

Info

Publication number: DE102013104084B3
Application number: DE102013104084.5A
Authority: DE
Inventors: Elmar Hinrichs
Original assignee: Vossloh Schwabe Deutschland GmbH; Vossloh Schwabe GmbH
Current assignee: Vossloh Schwabe Deutschland GmbH
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-04-24

Abstract

Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät (10) sieht die Kombination eines geregelten Schaltwandlers (19) zur Bereitstellung einer geregelten BUS-Spannung UG mit einem Linearstromregler (27) vor, der dazu dient, den Strom durch den Lampenzweig (11) konstant zu halten. Der Schaltregler (19) wird von einer Regelschaltung (24) kontrolliert und gesteuert, die dafür sorgt, dass die BUS-Spannung UG gerade eben so hoch ist, dass in der Summe die zum Betrieb der LED erforderliche Brennspannung sowie ein minimaler Zusatzspannungsbetrag für das resistive Stellglied (28) vorhanden sind, mit dem die Restwelligkeit der BUS-Spannung ausgeglichen wird, wobei das resistive Stellelement (28) in seinem aktiven Regelbereich bleibt und nie ganz durchsteuert, d. h. eine Spannungsuntergrenze USmin nicht unterschritten wird. Dies vermeidet Flimmererscheinungen und Farbverfälschungen. Weiter kann vorgesehen werden, dass bei Volllast und geringeren Dimmgraden, d. h. bei hoher oder mittlerer Lichtleistung, das Spannungsminimum an dem Stellglied eine minimale Spannungsabfallobergrenze USmin+ nicht überschreitet, um die Verlustleistung zu minimieren. Bei extrem tiefer Dimmung, d. h. bei minimaler Lichtleistung, wird die Verlustleistung an dem resistiven Stellelement (28) gezielt erhöht, um ein kontinuierliches Arbeiten des Schaltreglers (19) sicherzustellen; dies erfolgt durch Anheben der Spannungsuntergrenze USmin, so dass mögliche Flimmmererscheinungen verhindert oder zumindest reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für ein LED-Leuchtmittel mit mindestens einer LED.
Die Bereitstellung von Strom zum Betrieb von LED-Leuchtmitteln erfolgt durch elektronische Schaltungen, die möglichst dazu eingerichtet sind, den durch die LED fließenden Strom zu regulieren.
Dazu schlägt die WO 2010/045666 A1 eine Schaltung mit einem Lampenzweig vor, in dem mehrere LED sowie eine mit diesen in Reihe geschaltete Spule angeordnet sind. Der Lampenzweig ist mit einem zu diesem in Reihe geschalteten elektronischen Schalter an eine Spannungsquelle angeschlossen. Zu dem Lampenzweig ist eine Freilaufdiode parallel geschaltet. Durch fortwährendes Ein- und Ausschalten des Schalters wird entsprechend der Auf- und Entladecharakteristik der Spule ein gewünschter mittlerer Strom durch die LED eingestellt. Die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten des Schalters und einem folgenden Einschalten desselben wird in Abhängigkeit von der Spannung über der Spule bestimmt, womit auf einfache Weise der Strom und die LED-Leistung konstant gehalten werden sollen.
Eine ähnliche Grundschaltung liegt der WO 2004/057921 zugrunde. Hinzu kommt hier, dass dem hochfrequenten Schaltsignal ein niederfrequentes Signal überlagert ist, um mit diesem die Lichthelligkeit zu verstellen.
Bei der WO 2010/049074 A1 ist den LEDs ein gesteuerter Schalter parallel geschaltet, der unabhängig von dem mit dem Lampenzweig in Reihe geschalteten Schalter gesteuert ist. Dieser zweite Schalter soll auf einfache Weise die Konstanthaltung des Stroms und somit der LED-Leistung sowie insbesondere eine Farbkonstanz ermöglichen. Der zweite Schalter wird bei niedrigem Dimmlevel, d. h. bei geringer Lichtleistung, aktiviert, um den Strom gegen Ende eines PWM-Pakets sehr schnell gegen Null gehen zu lassen. Damit können besonders tiefe Dimmlevels erreicht werden.
Aus der EP 2 315 497 A1 und der US 2011/0080110 A1 ist jeweils ein Vorschaltgerät für ein LED-Leuchtmittel mit mehreren LEDs bekannt, die zusammen mit einem linearen Lampentreiber einen Lampenzweig, bilden. Es ist ein Netzgleichrichter vorgesehen, der an eine Wechselspannungsquelle anschließbar ist. An den Netzgleichrichter ist ein Schaltwandler angeschlossen, der ausgangsseitig an den Lampenzweig angeschlossen ist und der einen Steuereingang aufweist. In dem Lampenzweig ist eine Stromerfassungseinrichtung angeordneten, die ein den Lampenstrom (I_LED) kennzeichnendes Stromsignal generiert. Der lineare Lampentreiber enthält ein Stellglied, das in Abhängigkeit von dem Stromsignal gesteuert ist.
Die EP 2 512 207 A2 offenbart eine ähnliche Schaltung mit einem Schaltwandler und einer nachgeordneten Steuerschaltung mit einem Mikrocontroller und einem Spannungsregler. Der Spannungsregler dient in Verbindung mit umschaltbaren Widerständen zur Bereitstellung eines geregelten Lampenstroms.
Die WO 2008/001246 A1 zeigt wiederum eine getaktete Stromversorgung für ein LED-Bauelement. Um den Betrieb insbesondere bei variierenden Spannungsabfällen über der LED sicherzustellen, ist sowohl eine LED-Stromerfassung als auch eine LED-Spannungserfassung vorgesehen, die auf den Schalttransistor des zur Stromversorgung eingesetzten Tiefsetzstellers einwirkt.
Die Taktung des Stroms durch die LEDs im Lampenzweig kann in Verbindung mit einer Restwelligkeit der vom Schaltwandler bereitgestellten Spannung insbesondere bei niedriger Lichtleistung zum Flimmern der LEDs führen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein flimmerarmes Vorschaltgerät für LED-Leuchtmittel zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit dem Vorschaltgerät nach Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät weist einen Lampenzweig auf, in dem mindestens eine, vorzugsweise mehrere, LEDs angeordnet sind oder angeordnet werden können. Der Lampenzweig wird von einem Schaltwandler mit Spannung versorgt, der eingangsseitig mit einem Netzgleichrichter und ausgangsseitig mit dem Lampenzweig verbunden ist. Der Schaltwandler weist einen Steuereingang auf, über den die von dem Schaltwandler an den Lampenzweig abgegebene Spannung beeinflusst werden kann.
Der Lampenzweig ist mit einer Stromerfassungseinrichtung und einem resistiven Stellglied in Reihe geschaltet, das dazu dient, den durch die LEDs fließenden Strom auf einem gewünschten Wert oder in einem gewünschten Wertebereich zu halten. Zusätzlich ist eine Spannungserfassungsschaltung vorgesehen und mit dem Lampenzweig verbunden, um ein die erfasste Spannung kennzeichnendes Spannungssignal bereitzustellen. Das Spannungssignal dient mittels einer Regelschaltung zur Beeinflussung des Betriebs des Schaltwandlers.
Mit dieser Grundkonfiguration kann ein flimmerfreier Betrieb des LED-Leuchtmittels erreicht werden. Das resistive Stellglied kann dazu genutzt werden, Restwelligkeit der von dem Schaltwandler zur Versorgung des Lampenzweigs abgegebenen Spannung auszugleichen und so den durch die LEDs fließenden Strom konstant zu halten. Auch kleine Restwelligkeiten, die wegen der steilen LED-Kennlinie ansonsten zu erheblichen Stromschwankungen führen könnten, werden so unwirksam gemacht. Andererseits kann die über dem resistiven Stellglied abfallende Spannung mittels der Spannungserfassungsschaltung auf einen geringen Wert eingestellt werden, so dass die auftretende in Kauf zu nehmende, an dem resistiven Stellglied entstehende Verlustleistung auf geringe, in vielen Fällen vernachlässigbare, Werte begrenzt wird. Der Einsatz voluminöser Pufferkondensatoren höherer Kapazität am Ausgang des Schaltwandlers wird überflüssig. Dies ermöglicht es auch lichtverzögerungsarm ein- und auszuschalten, weil das Auf- und Entladen etwaiger Pufferkondensatoren in vernachlässigbarer Zeit stattfinden kann, ohne den Schaltwandler oder Elemente desselben zu überlasten. Auch werden Einschaltstromstöße reduziert, die ansonsten auftreten könnten, wenn ein LED-Leuchtmittel bei aufgeladenem Pufferkondensator in den Lampenzweig eingesetzt wird. Auf diese Weise können auch Vorschaltgeräte bereitgestellt werden, die für LED-Leuchtmittel unterschiedlicher Betriebsspannung eingerichtet sind.
Der Einsatz eines Linearreglers zur Stromregelung vermeidet auch Störstrahlungen und verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit. Insbesondere ist es möglich, von Leitungslängenbegrenzungen zwischen dem Vorschaltgerät und den LEDs abzusehen.
Vorzugsweise enthält die Regelschaltung eine Minimalwerterfassungsschaltung, die an den Eingang der Regelschaltung angeschlossen bzw. in diesem Eingang vorgesehen ist. Damit kann die Regelschaltung sicherstellen, dass ein minimaler Spannungswert an dem resistiven Stellglied nicht unterschritten wird, so dass der LED-Strom immer oberhalb des Knicks der LED-Kennlinie gehalten wird und nicht zusammenbricht. Es kann aber auch sichergestellt werden, dass an dem resistiven Stellelement nur die mindestens notwendige Spannung, nicht jedoch eine größere Spannung abfällt. Dadurch sind auftretende ohmsche Verluste minimierbar.
Damit kann man auch Änderungen in der Vorwärtsspannung der LEDs ausgleichen. Solche Änderungen der Vorwärtsspannung der LEDs hängen u. a. von deren Temperatur ab, die einerseits von der Umgebungstemperatur und andererseits auch durch den (mittleren) Stromdurchfluss (d. h. der Lichtleistung) bestimmt ist.
Die Regelschaltung kann anstelle der Minimalwerterfassungsschaltung auch eine Abtastschaltung enthalten, die den Spannungswert zu festgelegen Zeitpunkten abtastet. Vorzugsweise erfolgt die Abtastung synchron zu einer an dem Ausgang des Schaltwandlers auftretenden Spannungs-Restwelligkeit. Damit können zum Beispiel an dem resistiven Bauelement abfallende Spannungstiefstwerte, Spannungshöchstwerte und/oder sonstige Spannungswerte erfasst werden.
Außerdem ist es möglich, die Abtastung synchron zu einem PWM-Signal vorzunehmen, mit dem der LED-Strom getaktet wird. Zur Taktung kann das resistive Stellglied herangezogen werden, das von dem PWM-Signal periodisch abgeschaltet wird. Alternativ kann dazu ein gesonderter Schalter vorgesehen sein, der mit dem Lampenzweig in Reihe geschaltet ist. Die Abtastschaltung kann mit dem PWM-Signal synchronisiert sein, um die Spannung nur zu Zeitpunkten zu erfassen, in denen Strom durch die LEDs fließt.
Vorzugsweise ist der Lampenzweig nicht induktiv ausgebildet. Dies bedeutet, dass mit den LEDs keine Spule in Reihe geschaltet ist, so dass abgesehen von parasitären Induktivitäten keine sonstige Induktivität vorgesehen ist. Der Lampenzweig ist somit tendenziell kapazitv/resistiv ausgebildet. Damit kann das resistive Stellglied als aktiver Linearregler arbeiten, der, wenn er eingeschaltet ist, nie ganz durchgeschaltet ist. Wird als resistives Stellglied ein Bipolartransistor verwendet, bedeutet dies, dass der Bipolartransistor nie in Sättigung gerät. Zur Minimierung der Leistungsverluste wird er jedoch vorzugsweise so betrieben, dass er im Spannungsminimum seine Sättigungsgrenze gerade noch nicht erreicht. Wird als resistives Stellglied ein Feldeffekttransistor genutzt, bedeutet dies, dass sein Kanalwiderstand nie seinen Minimalwert erreicht, wobei jedoch die Drain-Source-Spannung im Minimum nahe Null ist.
Der Schaltwandler ist vorzugsweise als galvanisch trennender Sperrwandler ausgebildet. Prinzipiell ist jedoch jede andere Art von schaltenden Spannungsumsetzern nutzbar. Die galvanische Trennung ist optional.
Erfindungsgemäß ist die Regelschaltung nicht nur dazu vorgesehen, das Unterschreiten einer Spannungsuntergrenze an dem resistiven Stellglied zu verhindern, sondern ergänzend dazu, eine Mindestleistung umzusetzen. Dies gilt insbesondere dann, wenn sehr geringe Lichtleistungen erreicht werden sollen. Bei diesen kann es dazu kommen, dass die gewünschte LED-Leistung geringer ist als die minimale von dem Schaltregler lieferbare Leistung. Solche Betriebszustände würden zum Wiederholten kompletten Ein- und Ausschalten des Schaltreglers führen. Dabei kann es je nach Regelverhalten zum Flimmern der LED kommen. Dies kann vermieden werden, wenn die Reglercharakteristik angepasst wird und ein Teil der vom Schaltregler abgegebenen Leistung von dem resistiven Stellglied aufgenommen wird. Bei diesen tiefen Dimmgraden ist der damit entstehende Leistungsverlust vernachlässigbar.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann das Flimmern der LED in verschiedenen Betriebszuständen durch die erfindungsgemäße Schaltung vermindert oder vermieden werden. Das Flimmern der LED, das durch Restwelligkeit der Betriebsspannung (die auch als BUS-Spannung bezeichnet wird) entstehen könnte, wird durch den aktiven Regelbetrieb des resistiven Stellglieds vermieden.
Bei mittlerer und geringerer Lichtleistung wird insbesondere ein Flimmern, das durch Überlagerung des PWM-Signals mit der Restwelligkeit der BUS-Spannung auftreten könnte, wiederum durch das resistive Stellglied unterdrückt. Bei geringster Lichtleistung wird Flimmern, das durch lückenden Betrieb des Schaltwandlers auftreten könnte, vermieden, indem das resistive Stellglied unvermeidbare Überschussleistung absorbiert.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung, der Zeichnung oder von Ansprüchen. Es zeigen:
1 das Vorschaltgerät, in schematischer Blockdarstellung.
2 einen Schaltplanauszug des Vorschaltgeräts nach 1, in schematischer Darstellung.
3 bis 5 Schaltdiagramme des Vorschaltgeräts für verschiedene Betriebszustände und
6 und 7 abgewandelte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts.
In 1 ist ein Vorschaltgerät 10 veranschaulicht, das zum Betrieb eines LED-Leuchtmittels 11 gehört. Letzteres umfasst eine oder mehrere LEDs 12, 13, 14, die vorzugsweise in Reihe geschaltet sind. LEDs sind Leuchtdioden aus anorganischem oder organischem Material oder sonstige auf einem Halbleitereffekt beruhende Lichtquellen. Sie zeichnen sich üblicherweise durch eine nichtlineare Kennlinie mit, in der Nähe ihres Arbeitspunks, sehr geringem positiven dynamischen Widerstand aus. Die LEDs sind in einem Lampenzweig 15 angeordnet, der an eine Leitung 16 angeschlossen ist, die eine auf Masse 17 bezogene Gleichspannung (BUS-Spannung) führt. Diese ist vorzugsweise durch einen Pufferkondensator 18 gestützt, dessen Kapazität so groß gewählt wird, dass die Restwelligkeit auf der Busspannung nicht zu groß ist. Die in Reihe zu den LED-Leuchtmitteln 11 geschaltete Stromreglerschaltung 27 begrenzt den Strom in einer Weise, dass sich das Vorschaltgerät 10 eignet zum Betrieb von LED-Leuchtmitteln 11, die über Wechselfassungen mit dem Vorschaltgerät 10 verbindbar sind.
Der Pufferkondensator 18 wird von einem Schaltwandler 19 gespeist, dessen Ausgang mit dem Pufferkondensator 18 verbunden ist. Der Eingang des Schaltwandlers 19 ist mit einem Gleichrichterblock 20, beispielsweise in Gestalt einer Graetz-Brücke, verbunden. Diese ist ihrerseits mit einer Wechselspannungsquelle, beispielsweise mit dem Wechselspannungsnetz verbunden.
Der Schaltwandler 19 erhält von dem Gleichrichterblock 20 vorzugsweise eine ungepufferte Gleichspannung, die mit doppelter Netzfrequenz zwischen Null und dem Spitzenwert der Netzspannung pulsiert. Entsprechend enthält auch der von dem Schaltwandler 19 zu dem Pufferkondensator 18 gelieferte Strom eine Welligkeit, so dass auf dem Pufferkondensator 18 eine Restwelligkeit mit doppelter Netzfrequenz (genannt „Rippel”) vorhanden ist. Die Amplitude der Restwelligkeit kann je nach Anwendungsfall von mehreren 100 mV bis zu mehreren Volt reichen.
Der Schaltwandler 19 ist vorzugsweise ein Sperrwandler mit Potentialtrennung. In anderen Ausführungsformen kann der Schaltwandler 19 auch durch einen LLC-Resonanzwandler gebildet sein. Vorzugsweise weist er eine Schaltfrequenz von mehr als 20 kHz auf. Der von dem Schaltwandler 19 auf den Pufferkondensator 18 gelieferte Strom und/oder die von dem Schaltwandler 19 gelieferte Leistung sind an einem Steuereingang 21 des Schaltwandlers 19 steuerbar. Der Steuereingang 21 kann, je nach Ausführungsform, zur Aufnahme eines Spannungssignals, eines Stromsignals, eines Lichtsignals oder eines Datensignals eingerichtet sein. Das Signal wird im vorliegenden Fall über eine potentialtrennende Koppelschaltung 22 an den Eingang 21 geliefert.
Die Koppelschaltung 22 ist mit einem entsprechenden Ausgang 23 einer Regelschaltung 24 verbunden. Diese dient dazu, den Strom durch das LED-Leuchtmittel 11 auf einen gewünschten Wert einzustellen. Dazu kann die Regelschaltung 24 analoge und/oder digitale signalverarbeitende Bauelemente enthalten.
Teil der Regelschaltung 24 kann z. B. ein Mikrokontroller und eine Spannungserfassungsschaltung 26 sein, die an den Lampenzweig 15 angeschlossen ist. Dieser ist mit einer Stromreglerschaltung 27 in Reihe geschaltet.
Zu der Stromreglerschaltung 27 gehört ein resistives Stellelement 28, zum Beispiel in Gestalt eines bipolaren Transistors, eines Feldeffekttransistors oder dergleichen. Die Stromregelerschaltung 27 wird von einem Ausgang 29 des Mikrocontrollers 25 gesteuert. An dem Ausgang 29 liegt ein Analogsignal an, das die Größe des von der Stromreglerschaltung 27 festgelegten LED-Stroms als Soll-Wert vorgibt. Ein Differenzverstärker 30 kann dieses Signal mit der über einen Tiefpass 31 von einem Shunt 32 abgegriffenen Spannung SI_LED vergleichen, die von dem LED-Stromfluss hervorgerufen wird und den Strom-Ist-Wert repräsentiert, und das Stellelement 28 an seiner Basis oder seinem Gate entsprechend nachführen. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 30 bildet einen Stromerfassungseingang 33 zur Erfassung eines Stromsignals U_I.
Alternativ kann der Soll-Ist-Vergleich auch von dem Mikrocontroller 25 selbst durchgeführt werden, wenn dieser einen entsprechenden analogen Eingang für das Signal SI_LED aufweist, das den Strom-Ist-Wert repräsentiert.
Das an dem Ausgang 29 anstehende Analogsignal bestimmt den LED-Strom I_LED. Zusätzlich enthält das Vorschaltgerät 10 die Spannungserfassungsschaltung 26 zur Regulierung und/oder Einstellung der über dem Stellelement 28 abfallenden Spannung U_S. Bei bipolaren Transistoren ist dies die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE. Bei Feldeffekttransistoren ist dies die Drain-Source-Spannung U_DS. Zusätzlich kann die infolge des konstanten LED-Stroms I_LED ebenfalls konstante über dem Shunt 32 abfallende Spannung U_I mit erfasst werden, die für die variierende Spannung U_S lediglich einen konstanten Offset bildet.
Die Spannungserfassungsschaltung 26 ist an dem Lampenzweig 15 vorzugsweise zwischen der Reihenschaltung der LEDs 12, 13, 14 und dem Ausgang des resistiven Stellglieds 28, hier beispielsweise dem Kollektor desselben, angeschlossen. Sie erfasst den Spannungsabfall U_S gegen Masse 17. Die Spannungserfassungsschaltung 26 überträgt ein den Spannungsabfall U_S kennzeichnendes Signal SU_S an einen Spannungserfassungseingang 34. Sie kann dazu Pegelanpassungsmittel enthalten, wie beispielsweise einen kapazitiven Spannungsteiler 35 und einen resistiven Spannungsteile 36, die vorzugsweise beide das gleiche Spannungsteilerverhältnis haben. Weitere Elemente, wie beispielsweise eine Überspannungsschutzdiode sowie ein Kondensator 37 zur Unterdrückung von Störspitzen, können vorgesehen sein.
Zur Ansteuerung der Koppelschaltung 22 kann eine an den Ausgang 23 angeschlossene Filterschaltung 38 dienen, die aus einem Tiefpass und einem nachgeschalteten Spannungsteiler bestehen kann. Sie dient zur Ansteuerung des Steuereingangs 39 eines einstellbaren Referenzspannungsgenerators 40, der gemeinsam in einem Zweig mit einer LED 41 eines Optokopplers 42 liegt, der einen galvanisch trennenden Teil der Koppelschaltung 22 bildet.
Das insoweit beschriebene Vorschaltgerät 10 arbeitet, wie aus den 1, 2 und 3 ersichtlich, wie folgt:
Die von dem Netz herkommende Netzwechselspannung wird von dem Gleichrichterblock 20 gleichgerichtet und von dem Schaltwandler 19 in eine Gleichspannung U_G umgewandelt, auf die der Pufferkondenstor 18 aufgeladen wird. Die Gleichspannung U_G bildet somit die an der Leitung 16 anzutreffende BUS-Spannung gegen Masse 17. Wie aus 3 ersichtlich, hat die Gleichspannung U_G eine Restwelligkeit. Von der Leitung 16 fließt der Strom I_LED durch das LED-Leuchtmittel 11 und die Stromreglerschaltung 27 gegen Masse 17 ab. Die Stromreglerschaltung 27 hält den Strom I_LED dabei, wie aus 3 ersichtlich, konstant. Die Restwelligkeit der BUS-Spannung beeinflusst den Strom I_LED damit nicht. Die Restwelligkeit wird durch das resistive Stellelement 28 ausgeglichen, weshalb der Spannungsabfall U_S wie 3 darstellt, synchron zur Welligkeit der BUS-Spannung U_G variiert. Dabei wacht die Regelschaltung 24 darüber, dass an dem resistiven Stellelement 28 eine minimale Spannungsabfalluntergrenze U_Smin nicht unterschritten wird. Außerdem wacht die Regelschaltung vorzugsweise darüber, dass das Minimum der Spannung U_S eine minimale Spannungsabfallobergrenze U_Smin+ nicht überschreitet. Das Spannungsminimum des Spannungsabfalls U_S liegt deshalb zwischen den Spannungsgrenzwerten U_Smin und U_Smin+.
Im Falle eines bipolaren Transistors als resistives Stellglied beträgt die untere Spannungsabfalluntergrenze U_Smin etwa 500 mV. Dies berücksichtigt den Spannungsabfall U_I an dem Shunt 32 sowie die Sättigungsspannung an dem Transistor, die nicht erreicht und erst recht nicht unterschritten werden soll, damit der Transistor (resistives Stellglied 28) im aktiven Bereich bleibt. Zur Einstellung des Spannungsabfalls U_S steuert die Regelschaltung 24 den Schaltwandler 19 über die Koppelschaltung 22 so an, dass die von ihm gelieferte Gleichspannung U_G gerade so groß ist, dass die Spannung U_S die Minimalspannung U_Smin nicht unterschreitet. So wird einerseits eine Minimierung der an dem Stellglied 28 angefallenen Verlustenergie einerseits und andererseits ein konstanter LED-Strom I_LED ohne Lücken und Aussetzer erreicht.
Das Vorschaltgerät nach 10 kann durch entsprechende Ausbildung seiner Regelschaltung 24 ein weiteres Funktionsmerkmal aufweisen, das sich aus 4 ergibt. Das an dem Ausgang 29 anstehende Signal T kann pulsbreitenmoduliert getaktet werden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers bildet somit einen Takteingang für das getaktete Analogsignal T. Dadurch wird der LED-Strom I_LED fortwährend ein- und ausgeschaltet, wie aus 4 hervorgeht. Über das Puls-Pause-Verhältnis kann der Mittelwert des LED-Stroms I_LED wunschgemäß eingestellt werden.
Die Restwelligkeit der BUS-Spannung U_G kann dadurch zurückgehen, sie ist jedoch gleichwohl vorhanden. Entsprechend wird das resistive Stellelement 28 periodisch gesperrt (nichtleitend), womit die Spannung U_S in den Strompausen jeweils der Spannung U_G entspricht. Während der Leitphasen hält das resistive Stellelement 28 den Strom I_LED jedoch auf dem gewünschten Wert.
Mit dieser Maßnahme kann eine Dimmung der LED erreicht werden, wobei in den Stromleitphasen der gewünschte Arbeitspunkt der LED beibehalten und somit eine gute Farbkonstanz erhalten wird. Außerdem wird ein Flimmern durch Überlagerung des Taktsignals des Stroms I_LED mit der Restwelligkeit der BUS-Spannung U_G verhindert.
5 veranschaulicht den Betrieb bei noch geringeren Lichtleistungen. Der Strom I_LED hat nur kurze Leitphasen und große Pausen. Die dadurch von den LED abgenommene Leistung ist niedriger als die von dem Schaltwandler 19 abgebbaren Minimalleistungen. Dieser Zusammenhang führt zu einem „lückenden” Betrieb. In diesem Betriebszustand gibt es Phasen, in denen der Schaltwandler keine Energie überträgt, nämlich immer dann, wenn die Ausgangsspannung höher als die Sollspannung ist. Dabei wird derjenige Teil, der von dem Schaltwandler 19 gelieferten Leistung, der von den LED aufgrund des minimalen LED-Stroms I_LED nicht aufgenommen wird, von dem resistiven Stellelement in Wärme umgesetzt. Aufgrund des bei geringsten Helligkeiten äußerst niedrigen LED-Stroms I_LED handelt es sich hier um Milliwatt-Beträge. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, dass es selbst bei lückendem Betrieb des Schaltwandlers zu keinen sichtbaren Flackererscheinungen kommt bzw. dass solche reduziert werden.
Es sei angemerkt, dass dies auch mit einem Parallelstromzweig zu dem Lampenzweig 15 erreichbar ist, der bei sehr niedrigen LED-Strömen I_LED aktiviert werden könnte.
Die 6 und 7 veranschaulichen weitere Ausführungsformen der Erfindung. Zur Beschreibung des Vorschaltgeräts 10 nach 6 wird auf die im Zusammenhang mit 1 und 2 sowie der Funktionsbeschreibung nach 3 bis 5 gegebenen Erläuterungen verwiesen. Die vorstehende Beschreibung gilt hier entsprechend.
Im Unterschied zu 2 enthält die Spannungserfassungsschaltung 26 einen Minimalwertdetektor. Dieser wird durch eine Diode 43 gebildet, deren Kathode mit dem Lampenzweig 15 verbunden ist. Sie entlädt einen Kondensator 44, der sich somit auf den Minimalwert von U_S auflädt. Aus geeigneter Quelle, beispielsweise dem Mikrocontroller 25 und einem Vorwiderstand 45, erhält der Kondensator 44 einen geringen Ladestrom. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass kein paralleler Stromzweig entsteht, der den Stromregler ”überbrückt”. Die an dem Kondensator 44 anstehende Spannung wird über einen Tiefpass 46 an den Spannungseingang E gegeben. Damit kann die Regelschaltung 24 sicherstellen, dass die minimale Spannungsabfalluntergrenze U_Smin nicht unterschritten wird.
Eine weitere Alternative veranschaulicht 7. Die im Zusammenhang mit den 1 bis 6 gegebene Beschreibung gilt entsprechend unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen. Ergänzend gilt, dass die Koppelschaltung 22 abweichend zu den vorigen Beschreibungen ausgebildet ist. Wiederum enthält sie den Optokoppler 42 zur galvanischen Trennung. Dieser wird jedoch hier über einen Verstärker, vorzugsweise einen Operationsverstärker 47 angesteuert. Dieser ist als Komparator geschaltet. Er erhält an einem nichtinvertierenden Eingang, gegebenenfalls über eine Signalkonditionierung mittels RC-Kombination 48, das pulsweitenmodulierte Signal PWM und vergleicht dies mit der Minimalspannung auf dem Kondensator 44. Der Operationsverstärker 47 und die Signalkonditionierungsschaltung 48 bilden somit eine Abtastschaltung. Entsprechend gibt der Operationsverstärker 47 über den Optokoppler 42 ein Abtastsignal zum Erhöhen oder Erniedrigen der BUS-Spannung U_G.
Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät 10 sieht die Kombination eines geregelten Schaltwandlers 19 zur Bereitstellung einer geregelten BUS-Spannung U_G mit einem Linearstromregler 27 vor, der dazu dient, den Strom durch den Lampenzweig 11 konstant zu halten. Der Schaltregler 19 wird von einer Regelschaltung 24 kontrolliert und gesteuert, die dafür sorgt, dass die BUS-Spannung U_G gerade eben so hoch ist, dass in der Summe die zum Betrieb der LED erforderliche Brennspannung sowie ein minimaler Zusatzspannungsbetrag für das resistive Stellglied 28 vorhanden sind, mit dem die Restwelligkeit der BUS-Spannung ausgeglichen wird, wobei das resistive Stellelement 28 in seinem aktiven Regelbereich bleibt und nie ganz durchsteuert, d. h. eine Spannungsuntergrenze U_Smin nicht unterschritten wird. Dies vermeidet Flimmererscheinungen und Farbverfälschungen. Weiter kann vorgesehen werden, dass bei Vollast und wenig geminderter LED-Leistung das Spannungsminimum an dem Stellglied eine minimale Spannungsabfallobergrenze U_Smin+ nicht überschreitet, um die Verlustleistung zu minimieren. Bei extrem verminderter Lichtleistung hingegen kann die Verlustleistung an dem resistiven Stellelement 28 gezielt erhöht werden, um ein kontinuierliches Arbeiten des Schaltreglers 19 sicherzustellen. Dies kann durch Anheben der Spannungsuntergrenze U_Smin erfolgen.
Dieses Verhalten ist besonders dann von Vorteil wenn sich die Energieabgabe schlagartig ändert. Von niedriger Lichtleistung zu einem ungedimmten Volllastbetrieb, und somit maximaler Engergieabgabe, durchläuft der Schaltregler 19 (1) einen Einregelvorgang. In einem ersten Moment muss die zugeführte Energiemenge der abgegebenen Energiemenge nachgeführt/nachgeregelt werden. Dieses Verhalten führt zu einem Spannungseinbruch der Busspannung. Dieser Einbruch darf ein Minimum nicht unterschreiten, sonst bricht der LED-Strom ein oder die LED geht komplett aus. Die Erfindung vermeidet dies.
Bezugszeichenliste

10: Vorschaltgerät
11: LED-Leuchtmittel
12–14: LED
15: Lampenzweig
16: Leitung
17: Masse
18: Pufferkondensator
19: Schaltwandler
20: Gleichrichterblock
21: Steuereingang
22: Koppelschaltung
23: Ausgang
24: Regelschaltung
25: Mikrocontroller
26: Spannungserfassungsschaltung
27: Stromreglerschaltung
28: resistives Stellelement/Transistor
29: Ausgang
30: Differenzverstärker
31: Tiefpass
32: Shunt
I_LED: LED-Strom
U_S: Spannungsabfall am Stellelement, z. B. U_CE im Falle bipolarer Transistoren oder U_DS im Falle von Feldeffekttransistoren
33: Stromerfassungseingang
U_I: Stromsignal
34: Spannungserfassungseingang
E: Spannungseingang
35: kapazitiver Spannungsteiler
36: resistiver Spannungsteiler
37: Kondensator
38: Filterschaltung
39: Steuereingang
40: Referenzspannungsgenerator
41: LED
42: Optokoppler
U_G: Gleichspannung (Busspannung)
U_smin: Spannungsabfalluntergrenze
U_Smin+: Spannungsabfallobergrenze
U_smax: obere Spannungsabfallgrenze
43: Diode
44: Kondensator
45: Vorwiderstand
46: Tiefpass
47: Operationsverstärker
48: RC-Kombination
49: Abtastschaltung

Claims

Vorschaltgerät für ein LED-Leuchtmittel (11) mit mindestens einer LED (12), mit einem Lampenzweig (15), in dem mindestens eine LED (12) angeordnet oder an den mindestens eine LED (12) anschließbar ist, mit einem Netzgleichrichter (20), der an eine Wechselspannungsquelle anschließbar ist, mit einem Schaltwandler (19), der eingangsseitig an den Netzgleichrichter (20) und ausgangsseitig an den Lampenzweig (15) angeschlossen ist, und der einen Steuereingang (21) aufweist, mit einer in dem Lampenzweig (15) angeordneten Stromerfassungseinrichtung (32), die ein den Lampenstrom (I_LED) kennzeichnendes Stromsignal generiert, mit einem in dem Lampenzweig (15) angeordneten resistiven Stellglied (28), das in Abhängigkeit von dem Stromsignal (SI_LED) gesteuert ist, mit einer Regelschaltung (24), zu der eine Spannungserfassungsschaltung (26) gehört, die zur Spannungserfassung mit dem Lampenzweig (15) verbunden ist und ein die erfasste Spannung (U_S) kennzeichnendes Spannungssignal (SU_S) bereitstellt, wobei die Regelschaltung (24) einen Eingang (E), dem das Spannungssignal (SU_S) zugeleitet ist, und einen Ausgang (23) aufweist, der mit dem Steuereingang (21) des Schaltwandlers (19) verbunden ist, wobei die Regelschaltung (24) wenigstens in einer ersten Betriebsart dazu eingerichtet ist, das Unterschreiten einer Spannungsabfalluntergrenze (U_Smin) an dem resistiven Stellglied (28) zu verhindern und wobei die Regelschaltung (24) wenigstens in einer zweiten Betriebsart dazu eingerichtet ist, eine Mindestleistung umzusetzen, wobei das Umsetzen der Mindestleistung durch Anheben der Spannungsuntergrenze (U_Smin) erfolgt.
Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung (24) eine Minimalwerterfassungsschaltung (43, 44) enthält.
Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung (24) eine Abtastschaltung (49) enthält.
Vorschaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastschaltung (49) mit einer an dem Ausgang des Schaltwandlers (19) auftretenden Spannungs-Restwelligkeit und/oder einem PWM-Signal synchronisiert ist, das den LED-Strom (I_LED) taktet.
Vorschaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lampenzweig (15) nicht-induktiv ausgebildet ist.
Vorschaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltwandler (19) ein Sperrwandler ist.
Vorschaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das resistive Stellglied (28) ein Transistor ist.
Vorschaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassungseinrichtung (32) ein Shunt ist.
Vorschaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das resistive Stellglied (28) zu einer Stromquellenschaltung (27) gehört.
Vorschaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellenschaltung (27) einen Takteingang (T) aufweist, dem ein Schaltsignal zuführbar ist.
Vorschaltgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal ein PWM-Signal ist.
Vorschaltgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das resistive Stellglied (28) in jedem Betriebszustand entweder vollständig gesperrt oder im Aktivbetrieb ist.
Vorschaltgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung eine Tor- oder Abtastschaltung (49) aufweist, die einen Takteingang aufweist, der mit dem PWM-Signal verbunden ist, um das Spannungssignal (SU_S) gesteuert von dem PWM-Signal zu dem Steuereingang (21) durchzulassen oder zu sperren