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Die Anforderungen an Steuergeräte bzw. Spannungswandler für Signalfunktionen im Kfz (für z.B. LED) werden immer höher. Bis heute wird applikationsspezifisch anhand der Anzahl der LEDs die Wandlertopologie (Buck, Buck-Boost, Boost, Flyback etc.) ausgesucht. Gewünscht wäre jedoch ein Steuergerät, welches für unterschiedliche Anzahlen von LEDs geeignet ist, z.B. sowohl für ein Positionslicht (eine LED) als auch für ein Tagfahrlicht (z.B. 14 LEDs).
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Wird der Ausgangsspannungsbereich diverser Topologien in Bezug auf den Eingangsspannungsbereich des Bordnetzes, des Vorwärtsspannungsbereichs der LED und der minimalen und maximalen Einschaltdauer (Duty-Cycle bzw. Tastgrad) von Wandlern berechnet, wird kein Wandler mit Festfrequenz, was die üblichste Methode ist, den Anforderungen an die Ausgangsspannung von ca. 2V bis ca. 50V gerecht.
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Dieser Anforderung wird heute mit mehrstufigen Wandlern begegnet. Als erstes wird mit einem Boost-Wandler eine entsprechend hohe Ausgangsspannung erzeugt, um danach mit einem Buck-Wandler die geforderte applikationsspezifische Ausgangsspannung zu erzeugen. Zweistufige Systeme haben erstens den Nachteil der hohen Kosten und zweitens den Nachteil des schlechteren Wirkungsgrads gegenüber einstufigen Systemen.
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Ein System mit einer hohen Ausgangsspannung ohne Übertrager liefert z.B. ein reiner Boost-Wandler. Je nach Parametern (LED-Spannung, Duty-Cycle, Eingangsspannung) wie oben aufgeführt, kann das System über 14 LEDs ansteuern. Ein Betrieb mit nur einer LED ist damit nicht möglich, da das schaltende Element (Transistor) nicht in Reihe zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung platziert ist, im Gegensatz z.B. bei einem Buck-Wandler, und somit auch im Aus-Betrieb des Schalters ungehindert ein Strom durch die LED fließen würde, der nicht kontrollierbar ist.
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Die Aufgabe ist es somit, die Anwendungsflexibilität zu erhöhen. Außerdem soll bevorzugt ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Bevorzugt sollen die Kosten für die Realisierung gering gehalten oder reduziert werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch insbesondere einen Spannungswandler (1), wobei der Spannungswandler (1) einen Eingang (10) mit einer ersten Eingangsklemme (11) und einer zweiten Eingangsklemme (12) aufweist und der Spannungswandler (1) einen Aufwärtswandler (20) und einen Ausgang (30) mit einer ersten Ausgangsklemme (31) und einer zweiten Ausgangsklemme (32) aufweist und wobei der Spannungswandler (1) einen Schalter (40) aufweist, der eingerichtet ist, die zweite Ausgangsklemme (32) entweder auf das Potential der ersten Eingangsklemme (11) oder auf das Potential der zweiten Eingangsklemme (12) zu ziehen.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch insbesondere ein Verfahren zum Wandeln einer Spannung mittels eines Spannungswandlers (1), der einen Eingang (10) mit einer ersten Eingangsklemme (11) und einer zweiten Eingangsklemme (12) aufweist und der einen Aufwärtswandler (20) und einen Ausgang (30) mit einer ersten Ausgangsklemme (31) und einer zweiten Ausgangsklemme (32) aufweist, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
- a) Aufwärtswandeln einer Eingangsspannung (13);
- b) Setzen eines von mindestens zwei möglichen Schaltzuständen eines Schalters (40), wobei in einem ersten Schaltzustand die zweite Ausgangsklemme (32) auf das Potential der ersten Eingangsklemme (11) gezogen wird und in einem zweiten Schaltzustand die zweite Ausgangsklemme (32) auf das Potential der zweiten Eingangsklemme (12) gezogen wird.
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Auf diese Weise ist der Spannungswandler aufgrund des Schalters bzw. aufgrund des Setzens des Schaltzustands zwischen zwei Topologien schaltbar bzw. in eine von zwei Topologien setzbar. Es ist somit eine Anpassung des Wandlers bzw. des Wandelns an die jeweilige Last und/oder Eingangsspannung möglich. In der ersten Topologie liegt zwischen den Ausgangsklemmen des Ausgangs bevorzugt eine Spannung an, die aus der Differenz des Ausgangspotentials des Aufwärtswandlers an der ersten Ausgangsklemme und dem Potential an der ersten Eingangsklemme gegeben ist, abzüglich der an dem Schalter abfallenden Spannung. In der zweiten Topologie liegt zwischen den Ausgangsklemmen des Ausgangs bevorzugt eine Spannung an, die aus der Differenz des Ausgangspotentials des Aufwärtswandlers an der zweiten Ausgangsklemme und dem Potential an der ersten Eingangsklemme gegeben ist, abzüglich der an dem Schalter abfallenden Spannung. Mit nur einem Aufwärtswandler sind somit verschiedene Lastspannungen ohne große Verluste oder aufwändige Schaltungskombinationen erreichbar und somit verschiedene Lastkonfigurationen am Ausgang des Spannungswandlers möglich.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Setzen eines Schaltzustands auch einmalig erfolgen, z.B. vor einem Einbau des Spannungswandlers und z.B. mittels eines DIP-Schalters oder einer Festverdrahtung.
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Der Spannungswandler ist bevorzugt ein Gleichspannungswandler (DC/DC), besonders bevorzugt ein nicht-invertierender Gleichspannungswandler. Eine Klemme wird zur Beschreibung im schaltungstechnischen Sinn verstanden, d.h. es muss keine physikalische Klemme vorliegen, sondern eine Klemme versteht sich (auch) als virtueller/fiktiver Eingangspunkt oder Ausgangspunkt einer Schaltung.
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Der Aufwärtswandler bzw. Boost-Wandler ist bevorzugt ein Wandler, bei dem der Betrag der Eingangsspannung (Spannung zwischen den Eingangsklemmen) gleich oder niedriger als der Betrag der Ausgangsspannung (Spannung zwischen den Ausgangsklemmen – bevorzugt bei an den Ausgangsklemmen gekoppelter Last) ist. Besonders bevorzugt ist der Aufwärts- bzw. Boost-Wandler ein nicht invertierender Wandler.
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Bevorzugt sind die beiden Eingangsklemmen und die erste Ausgangsklemme direkt mit dem Aufwärtswandler verbunden.
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Auf ein Potential zu ziehen erfolgt bevorzugt durch Schalten zwischen dem Schaltzustand einer Verbindung von der zweiten Ausgangsklemme zu der ersten Eingangsklemme (Ziehen auf das Potential der ersten Eingangsklemme) und dem Schaltzustand einer Verbindung von der zweiten Ausgangsklemme zu der zweiten Eingangsklemme (Ziehen auf das Potential der zweiten Eingangsklemme). Eine Verbindung ist bevorzugt ein elektrisch leitender Pfad, besonders bevorzugt niederohmig, z.B. unter 100Ω, bevorzugt unter 10Ω, besonders bevorzugt unter 5Ω. Keine Verbindung liegt bevorzugt vor, wenn keine elektrische Verbindung vorliegt oder diese hochohmig ist, z.B. über 500Ω, bevorzugt über 1kΩ, besonders bevorzugt über 1MΩ. Bevorzugt liegt die Verbindung im durchgeschalteten Zustand zumindest in einer Richtung vor, bevorzugt in Richtung der Potentialdifferenz zwischen zweiter Ausgangsklemme und erster oder zweiter Eingangsklemme. Besonders bevorzugt liegt eine Verbindung im jeweiligen durchgeschalteten Zustand zumindest in der Richtung von der zweiten Ausgangsklemme und der ersten oder zweiten Eingangsklemme vor.
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In der Realität wird sich das Potential der zweiten Ausgangsklemme und das Potential der Eingangsklemme, auf das die zweite Ausgangsklemme durch den Schalter gezogen ist, um eine Spannung unterscheiden, welche am Schalter im leitenden Pfad zwischen der zweiten Ausgangsklemme und der entsprechenden Eingangsklemme abfällt, wobei diese am Schalter abfallende Spannung bevorzugt möglichst klein konzipiert wird, z.B. kleiner gleich 2,6V (z.B. bei Darlington-Transistor als Bestandteil des Schalters), bevorzugt kleiner gleich 1V (ebenfalls Darlington-Transistor), besonders bevorzugt kleiner gleich 0,3V (z.B. Silizium-Transistor). Bevorzugt ist das Potential der zweiten Ausgangsklemme dann auf das Potential der ersten/zweiten Eingangsklemme gezogen, wenn der Betrag der Potentialdifferenz zwischen zweiter Ausgangsklemme und erster/zweiter Eingangsklemme kleiner ist als der Betrag der Potentialdifferenz zwischen zweiter Ausgangsklemme und zweiter/erster Eingangsklemme.
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Der Schalter ist bevorzugt ein Wechselschalter, der eine XOR-Verbindung schaltet, d.h. entweder ist ein Pfad bzw. eine Verbindung durchgeschaltet oder niederohmig während der andere Pfad bzw. die andere Verbindung nicht durchgeschaltet bzw. hochohmig ist und vice versa. In dem ersten Schaltzustand des Schalters besteht bevorzugt eine Verbindung von der zweiten Ausgangsklemme zu der ersten Eingangsklemme, in dem zweiten Schaltzustand eine Verbindung von der zweiten Ausgangsklemme zu der zweiten Eingangsklemme. Bevorzugt sind ausschließlich der erste und zweite Schaltzustand mögliche Schaltzustände des Schalters. Besonders bevorzugt ist der Schalter ein Schalter, welcher eine Verbindung in ausschließlich einer Richtung (z.B. in Richtung von der zweiten Ausgangsklemme zu der ersten Eingangsklemme) ständig zuschaltet bzw. niederohmig schaltet (erster Schaltzustand und zweiter Schaltzustand) und eine weitere Verbindung zu-(erster Schaltzustand) oder abschaltet (zweiter Schaltzustand) bzw. niederohmig (erster Schaltzustand) oder hochohmig (zweiter Schaltzustand) schaltet. Der Schalter wird bevorzugt im schaltungstechnischen Sinn verstanden als Wechselschalter und weist drei Anschlüsse auf. Bevorzugt ist er ein mechanischer Schalter, besonders bevorzugt ist er ein elektronischer Schalter, der z.B. aus Halbleiterelementen realisiert ist. Die zweite Ausgangsklemme ist bevorzugt am gemeinsamen Mittelanschluss (COM) des (Wechsel-)Schalters angeschlossen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers weist der Schalter (40) ein Schaltelement S2 (41) und ein Sperrelement (42) auf. Hierdurch ist der Schalter mittels zweier einfacher Bauteile realisierbar.
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Das Schaltelement S2 ist bevorzugt ein (mechanischer) 1-Pol-Schalter, besonders bevorzugt ein Transistor (z.B. Bipolartransistor oder (Sperrschicht-)Feldeffekttransistor, MOS-FET). Das Schaltelement S2 ist bevorzugt zwischen die zweite Ausgangsklemme und die zweite Eingangsklemme geschaltet und je nach Schaltzustand stromdurchlässig bzw. niederohmig oder stromundurchlässig bzw. hochohmig.
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Das Sperrelement ist bevorzugt eingerichtet, Stromfluss in eine Richtung, zumindest in einem bestimmten Spannungsbereich zu sperren. Es ist bevorzugt eine Diode (z.B. pn-Diode), besonders bevorzugt ein Transistor. Bevorzugt ist das Sperrelement zwischen die zweite Ausgangsklemme und die erste Eingangsklemme geschaltet. Es sperrt bevorzugt einen Stromfluss über das Schaltelement S2 (wenn dieses durchlässig/niederohmig ist) zwischen der ersten und zweiten Eingangsklemme und verhindert somit einen Kurzschluss in diesem Schaltzustand. Z.B. sperrt es Strom von der ersten Eingangsklemme zur zweiten Ausgangsklemme und ist für Strom in die andere Richtung durchlässig bzw. niederohmig, sofern in diese Richtung eine Spannung anliegt, welche höher als eine evtl. notwendige Flussspannung bzw. Schwellspannung ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ist das Sperrelement (42) schaltbar und der Spannungswandler (1) ist weiterhin eingerichtet, das Sperrelement (42) getaktet, bevorzugt mit variablem Tastgrad, zu schalten. Hierdurch wird zusätzlich ermöglicht, durch die taktweise Ansteuerung den Mittelwert der Ausgangsspannung des Spannungswandlers zu modulieren, z.B. mittels einer PWM-Ansteuerung. Z.B. kann so die Helligkeit von LEDs, die als Last an den Ausgangsklemmen angeschlossen sind, gedimmt werden. Bevorzugt ist das Sperrelement hierzu ein Transistor, der als ansteuerbarer Schalter zwischen die zweite Ausgangsklemme und die erste Eingangsklemme geschaltet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ist dieser eingerichtet, das Schaltelement S2 (41) getaktet, bevorzugt mit variablem Tastgrad, zu schalten. Hierdurch wird eine weitere Möglichkeit eröffnet, den Mittelwert der Ausgangsspannung des Spannungswandlers zu modulieren, z.B. mittels einer PWM-Ansteuerung. Z.B. kann so die Helligkeit von LEDs, die als Last an den Ausgangsklemmen angeschlossen sind, gedimmt werden. Bevorzugt ist das Schaltelement S2 hierzu ein Transistor, der als ansteuerbarer Schalter zwischen die zweite Ausgangsklemme und die zweite Eingangsklemme geschaltet ist.
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Bevorzugt sind sowohl das Schaltelement S2 als auch das Sperrelement getaktet ansteuerbar. In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren werden einer oder beide der folgenden Schritte durchgeführt:
- – taktweises Schalten eines Sperrelements (42) des Schalters (40);
- – taktweises Schalten eines Schaltelements S2 (41) des Schalters (40).
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Hierdurch wird die Flexibilität erhöht, verschiedene Betriebspunkte der Kombination aus Spannungswandler und angeschlossener Last einstellen zu können bzw. einzustellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers weist der Aufwärtswandler (20) eine Induktivität (21), ein Schaltelement S1 (22), eine Diode (23) und eine Kapazität (24) auf. Hierdurch ist mit einfachen Elementen ein Aufwärtswandler realisierbar (sog. Boost-Wandler), der einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Die Induktivität ist z.B. eine Spule oder Drossel, das Schaltelement S1 z.B. ein Transistor, die Kapazität z.B. ein Kondensator. Der Spannungswandler ist bevorzugt eingerichtet, das Schaltelement S1 getaktet zu schalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ist dieser eingerichtet, das Schaltelement S1 (22) mit variablem Tastgrad getaktet zu schalten. In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner der Schritt durchgeführt:
- – taktweises Schalten eines Schaltelements S1 (22) des Aufwärtswandlers (20) mit variablem Tastgrad.
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Hierdurch ist der Grad der Spannungswandlung des Aufwärtswandlers einstellbar.
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Bevorzugt sind sowohl das Schaltelement S1 als auch das Schaltelement S2 und/oder das Sperrelement getaktet, bevorzugt mit variablem Tastgrad, ansteuerbar, wodurch sich die Flexibilität noch weiter erhöht, verschiedene Betriebspunkte der Kombination aus Spannungswandler und angeschlossener Last einstellen zu können. Bevorzugt ist die Diode des Aufwärtswandlers als Schalter, z.B. als Transistor, ausgeführt und dieser Schalter und das Schaltelement S1 sind synchron schaltbar, bzw. synchron betreibbar oder werden synchron geschaltet oder betrieben. Hierdurch ist ein sog. synchroner Boost-Wandler oder Synchronwandler mit einfachen Bauteilen und hohem Wirkungsgrad realisierbar.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch insbesondere eine Beleuchtungseinrichtung für ein Fahrzeug, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen erfindungsgemäßen Spannungswandler (1) aufweist sowie mindestens ein Leuchtmittel (51) welches am Ausgang (30) des Spannungswandlers (1) angeschlossen ist.
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Auf diese Weise ist eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanlage flexibel an die Anzahl der angeschlossenen Leuchtmittel, insbesondere LED, oder verschiedene Eingangsspannungen anpassbar und ein hoher Wirkungsgrad wird dadurch erzielt, dass anstatt eines konventionellen Abwärtswandlers ein Schalter des erfindungsgemäßen Spannungswandlers zum Schalten zwischen zwei Topologien vorhanden ist. Bevorzugt sind 1 bis 14 LEDs in Reihenschaltung angeschlossen. Besonders bevorzugt sind 1 bis 20 LEDs in einer beliebigen Reihen- und/oder Parallelschaltung angeschlossen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Spannungswandler,
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2 einen erfindungsgemäßen Spannungswandler, wobei der Schalter mittels eines Sperrelements und eines Schaltelements realisiert ist,
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3 einen erfindungsgemäßen Spannungswandler, wobei der Aufwärtswandler eine Induktivität, ein Schaltelement S1, eine Diode und eine Kapazität aufweist,
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4 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Spannungswandler.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Spannungswandler 1. Er weist einen Eingang 10 mit einer ersten Eingangsklemme 11 und einer zweiten Eingangsklemme 12 auf. Diese sind mit einem Aufwärtswandler 20 verbunden. Der Spannungswandler 1 weist außerdem einen Schalter 40 und einen Ausgang 30 mit einer ersten Ausgangsklemme 31 und einer zweiten Ausgangsklemme 32 auf. Die Ausgangsklemme 31 ist mit dem Aufwärtswandler 20 verbunden und die Ausgangsklemme 32 ist mit dem gemeinsamen Mittelanschluss des Schalters 40, hier ein Wechselschalter, verbunden. Die zwei anderen Anschlüsse des Schalters 40 sind mit jeweils einer der Eingangsklemmen 11, 12 verbunden. Der Schalter 40 ist somit eingerichtet, die zweite Ausgangsklemme 32 entweder an die erste Eingangsklemme 11 (wie gezeigt) oder an die zweite Eingangsklemme 12 zu schalten. An die Ausgangsklemmen 31, 32 ist eine Last schaltbar, an die Eingangsklemmen 11, 12 eine Spannungsquelle. In der einen Topologie (wie gezeigt) ist die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 31, 32, d.h. die Ausgangsspannung, die Potentialdifferenz zwischen erster Ausgangsklemme 31 und erster Eingangsklemme 11. In der zweiten Topologie ist die Ausgangsspannung die Potentialdifferenz zwischen erster Ausgangsklemme 31 und zweiter Eingangsklemme 12, jeweils abzgl. eines eventuellen Spannungsabfalls an dem Schalter 40.
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Im Betrieb des Spannungswandlers 1 wird in Abhängigkeit der verwendeten Last ein Schaltzustand des Schalters 40 gesetzt. Der Aufwärtswandler 20 wandelt die an den Eingangsklemmen 11, 12 anliegende Spannung in eine größere oder gleiche Spannung.
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Auf diese Weise ist mittels des Schalters 40 die Ausgangsspannung, auf zwei Stufen mittels zweier Topologien einstellbar.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Spannungswandler 1, wobei im Unterschied zu 1 der Schalter 40 mittels eines Sperrelements 42 und eines Schaltelements S2 41 realisiert ist. Zwischen der zweiten Ausgangsklemme 32 und der ersten Eingangsklemme 11 ist das Sperrelement 42 geschaltet. Zwischen der zweiten Ausgangsklemme 32 und der zweiten Eingangsklemme 12 ist das Schaltelement S2 41 geschaltet.
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Im Betrieb des Spannungswandlers 1 sperrt das Sperrelement 42 einen Strom zwischen den Eingangsklemmen 11, 12 über das Schaltelement S2 41, wenn dieses durchgeschaltet bzw. niederohmig ist.
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Somit wird ein Kurzschluss verhindert wenn das Schaltelement S2 41 durchgeschaltet bzw. niederohmig ist, andererseits wird ein Strompfad zwischen der zweiten Ausgangsklemme 32 und der ersten Eingangsklemme 11 ermöglicht.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Spannungswandler 1, wobei der Aufwärtswandler eine Induktivität 21, ein Schaltelement S1 22, eine Diode 23 und eine Kapazität 24 aufweist, bevorzugt aus diesen besteht. Die Induktivität 21 ist an der ersten Eingangsklemme 11 angeschlossen und liegt in Reihe mit der Diode 23 zwischen der ersten Eingangsklemme 11 und der ersten Ausgangsklemme 31. Das Schaltelement S1 22 ist mit einem Anschluss zwischen der Induktivität 21 und der Diode 23 angeschlossen und mit dem anderen Anschluss an der zweiten Eingangsklemme 12 bzw. Masse. Die Kapazität 24 ist zwischen der ersten Ausgangsklemme 31 und der zweiten Eingangsklemme 12 bzw. Masse angeschlossen. Die Eingangsspannung 13 zwischen den Eingangsklemmen 11, 12 ist positiv, genauso wie die Ausgangsspannung 33 zwischen den Ausgangsklemmen 31, 32. Es ist eine Last 50 am Ausgang 30 angedeutet. Das Sperrelement 42 ist eine Diode, welche derart geschaltet ist, dass sie einen Stromfluss von der ersten Eingangsklemme 11 zu der zweiten Ausgangsklemme 32 sperrt.
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Im Betrieb der Erfindung wird über die Induktivität 21, das Schaltelement S1 22, die Diode 23 und die Kapazität 24 die Eingangsspannung 13 gewandelt, wobei im Ergebnis die Spannung zwischen der ersten Ausgangsklemme 31 und der zweiten Eingangsklemme 12 größer oder gleich der Eingangsspannung 13 ist. Die Wandlung erfolgt gemäß dem bekannten Prinzip der Aufwärtswandlung. Dabei wird das Schaltelement S2 22 getaktet angesteuert. Mittels (einmaligen) Schaltens bzw. Einstellen oder Setzen des Schaltelements S2 41 wird diejenige der beiden möglichen Topologien ausgewählt, welche einen für die Last 50 gewünschten Betriebspunkt besser realisiert. Ist das Schaltelement S2 41 durchgeschaltet bzw. niederohmig, so ist die Last 50 mittels der Ausgangsklemme 32 nach Masse bzw. Bezugspotential der zweiten Eingangsklemme 12 geschaltet. Dieser Strompfad der Last 50 entspricht einer klassischen Boost-Topologie. Ist das Schaltelement S2 41 nicht durchgeschaltet bzw. hochohmig, fließt der Strom über die Last 50 durch die Diode 42 zur ersten Eingangsklemme 11. Dieser Strompfad der Last 50 entspricht der sogenannten Buck-Boost-Topologie.
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Auf diese Weise ist der erfindungsgemäße Spannungswandler 1 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Spannungswandlung mit der Möglichkeit eines Umschaltens der Topologie zur Anpassung des Spannungswandlers 1 an die angeschlossene Last 50 und/oder die Eingangsspannung 13 mit einfachen Bauelementen möglich. Somit kann je nach Eingangsspannung 13 und/oder Anzahl von z.B. LEDs als Lasten die Topologie umgeschaltet werden um die bestmögliche Betriebsart zur Ansteuerung der LEDs zu erreichen.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Spannungswandler 1. Die Beleuchtungseinrichtung weist außerdem eine LED 51 als Last auf. Sie ist mit der Kathode an die zweite Ausgangsklemme 32 geschaltet. Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Spannungswandler 1 weist dieser Spannungswandler 1 zusätzlich einen eingangsseitigen Glättungskondensator 25 auf. Weiterhin ist am Eingang 10 eine Batterie 14 angeschlossen und die Schaltelemente S1 22 und S2 41 sind als MOS-FETs realisiert, die jeweils mittels eines Steuersignals 26 bzw. 43 ansteuerbar sind.
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In Betrieb der Beleuchtungseinrichtung glättet der Glättungskondensator 25 Spannungsschwankungen, die z.B. durch andere an der Batterie 14 angeschlossene Verbraucher auftreten.
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Das Steuersignal 26 ist ein konstantes Taktsignal (z.B. 400kHz), bevorzugt ein PWM-Signal mit variablem Tastgrad. Somit ist die Stärke bzw. der Grad der Aufwärtswandlung einstellbar. Z.B. wird eine Dimmung der LEDs mit ca. 200Hz über einen Ein/Aus-Betrieb mit variierendem Tastgrad durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass diese Dimmung kostengünstiger ist als eine Dimmung mittels eines Lastschalters.
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Mittels des Steuersignals 43 wird je nach Anzahl und/oder Verschaltung der angeschlossenen LEDs ein Umschalten auf die am besten geeignetste Topologie durchgeführt. Die Eingangsspannung ist z.B. 28V. Wenn das Schaltelement S2 43 durchgeschalten bzw. niederohmig ist, muss die Summe der Flussspannungen von in Reihe zwischen die Ausgangsklemmen 31, 32 geschalteten LEDs im Strang größer sein als die Eingangsspannung, um einen ungewollten, nicht mehr beeinflussbaren, Strom zu verhindern. Wenn die Flussspannung einer LED z.B. 2V beträgt und wenn weniger als 14 LEDs in Reihe am Ausgang 30 angeschlossen sind, dann wird die Topologie mit nicht durchgeschaltetem bzw. hochohmigen Schaltelement S2 43 gewählt. In diesem Beispiel folgt somit, dass bis ca. 14 LEDs das Schaltelement S2 43 offen bzw. hochohmig ist und der Strom über das Sperrelement 42 fließt. Bei einer höheren Anzahl von angeschlossenen LEDs ist es vorteilhaft, das Schaltelement S2 43 leitend bzw. niederohmig anzusteuern.
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In einer Variante ist die Diode 42 als Transistor ausgeführt und wird wie das Schaltelement S2 43 über ein Signal angesteuert. Bevorzugt ist dieses Signal ein getaktetes PWM-Signal mit variablem Tastgrad. Hierdurch ist ebenfalls eine Dimmung der LEDs durchführbar.
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In einer weiteren Variante ist das Schaltsignal 43 ein PWM-Signal mit variablem Tastgrad. Auf diese Weise ist auf eine andere oder zusätzliche Weise eine Dimmung der LEDs durchführbar.
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Mit dieser Erfindung ist somit erstmals ein Spannungswandler, eine Beleuchtungseinrichtung und ein Verfahren zum Wandeln einer Spannung bereitgestellt worden, welche eine flexible Anpassung an verschiedene Lasten (z.B. verschiedene Anzahlen und/oder Verschaltungen von LEDs) und verschiedene Eingangsspannungen mit einfacher Schaltstruktur ermöglichen. Insbesondere ist mittels eines Schalters eine erste Topologie und eine zweite Topologie wählbar, wobei eine dieser Topologien einer Boost-Topologie und die andere einer Buck-Boost-Topologie (bevorzugt nicht invertierend) entspricht, bzw. deren Effekt nachbildet. Mittels des Schalters ist die zweite Ausgangsklemme, welche bevorzugt diejenige Ausgangsklemme ist, die nicht direkt mit dem Aufwärtswandler verbunden ist, entweder an die eine oder die andere Eingangsklemme schaltbar. Das Potential der zweiten Ausgangsklemme ist an zwei verschiedene Potentiale ankoppelbar. Somit werden verschiedene Ausgangsspannungen der Spannungswandlers auf einfache Weise mit einem hohem Wirkungsgrad realisiert. Die bevorzugte Realisierung des Schalters durch ein elektronisch steuerbares Schaltelement S1 wie z.B. ein Transistor in Kombination mit einem Sperrelement wie z.B. einer Diode oder ebenfalls einem Transistor, ist äußerst kompakt und kostengünstig. Die Verwendung von schaltbaren Transistoren als Schaltelement S1 und/oder Schaltelement S2 und/oder als Sperrelement erlaubt eine flexible Einstellung eines Betriebspunkts der Schaltung bei angeschlossener Last unter Einstellung der Ansteuerparameter der Schalter, wozu z.B. der Tastgrad bzw. der Duty-Cycle einer PWM-Ansteuerung zählen. Je mehr PWM-angesteuerte Transistoren verwendet werden, desto größer ist die Flexibilität, wobei für jede PWM-Ansteuerung auch höhere Kosten anfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannungswandler
- 10
- Eingang
- 11
- Erste Eingangsklemme
- 12
- Zweite Eingangsklemme
- 13
- Eingangsspannung
- 14
- Batterie
- 20
- Aufwärtswandler
- 21
- Induktivität
- 22
- Schaltelement S1
- 23
- Diode
- 24
- Kapazität
- 25
- Glättungskondensator
- 26
- Steuersignal
- 30
- Ausgang
- 31
- Erste Ausgangsklemme
- 32
- Zweite Ausgangsklemme
- 33
- Ausgangsspannung
- 40
- Schalter
- 41
- Schaltelement S2
- 42
- Sperrelement
- 43
- Steuersignal
- 50
- Last
- 51
- Leuchtmittel, LED
