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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer ersten und einer zweiten Kaskade von LEDs umfassend einen Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Koppeln mit einer gleichgerichteten Versorgungswechselspannung, einen Linearregler mit einem Eingang, sowie eine erste höhergelegene und eine zweite tiefergelegene LED-Einheit, wobei die erste LED-Einheit die erste Kaskade von LEDs und die zweite LED-Einheit die zweite Kaskade von LEDs umfasst.
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Stand der Technik
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Eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung ist bekannt aus der
DE 29 25 692 A1 . Dabei ist bekannt, Kaskaden von LEDs, die jeweils eine Vielzahl von LEDs umfassen, über einen Gleichrichter aus einem Wechselspannungsnetz zu speisen. Dies führt jedoch zu einer starken Lichtmodulation, einem so genannten „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.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer ersten und einer zweiten Kaskade von LEDs derart weiterzubilden, dass ein effizienterer Betrieb der LEDs ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Effizienz und damit der Wirkungsgrad einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung gesteigert sowie die Vorgaben hinsichtlich des Powerfaktors erfüllt werden können, wenn ein Spannungsteiler vorgesehen ist, der zwischen den ersten und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei der Abgriff des Spannungsteilers mit dem Eingang eines seriell zu den LED-Kaskaden gekoppelten Linearreglers gekoppelt ist. Durch diese Maßnahme kann eine Stromaufnahme der Schaltungsanordnung von der jeweiligen Phasenlage der gleichgerichteten Versorgungswechselspannung abhängig gemacht werden.
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Jede LED-Einheit umfasst eine erste Diode, die seriell zu der jeweiligen LED-Kaskade gekoppelt ist, wobei diese erste Diode als Sperrdiode dient. Der Kopplungspunkt der ersten Diode und der jeweiligen LED-Kaskade stellt einen ersten Knoten dar, wobei der nicht mit der ersten Diode gekoppelte Anschluss der LED-Kaskade einen zweiten Knoten darstellt, wobei der nicht mit der LED-Kaskade gekoppelte Anschluss der ersten Diode einen dritten Knoten darstellt. Jede LED-Einheit verfügt weiterhin über die Serienschaltung eines ersten Kondensators und einer zweiten Diode, die zwischen den dritten und den zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei der Kopplungspunkt des ersten Kondensators mit der zweiten Diode einen vierten Knoten darstellt. Jede LED-Einheit verfügt weiterhin über einen ersten und einen zweiten elektronischen Schalter mit jeweils einer Steuerelektrode, einer Bezugselektrode und einer Arbeitselektrode, wobei die Steuerelektrode des ersten elektronischen Schalters mit einem fünften Knoten gekoppelt ist, wobei die Bezugselektrode des ersten elektronischen Schalters mit dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei die Arbeitselektrode des ersten elektronischen Schalters mit der Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters gekoppelt ist, wobei die Bezugselektrode des zweiten elektronischen Schalters mit dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei die Arbeitselektrode des zweiten elektronischen Schalters mit dem zweiten Knoten gekoppelt ist. Wie weiter unten noch detaillierter ausgeführt, kann auf diese Weise die Voraussetzung geschaffen werden, um die unterschiedlichen LED-Kaskaden in Abhängigkeit des Momentanwerts der gleichgerichteten Versorgungswechselspannung ein- oder auszuschalten. Dabei können nur einzelne der LED-Kaskaden oder auch mehrere LED-Kaskaden gleichzeitig in Betrieb sein. Zu diesem Zweck ist der dritte Knoten der höchstgelegenen LED-Einheit mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt, wobei der zweite Knoten der tiefstgelegenen LED-Einheit derart mit dem Linearregler gekoppelt ist, dass der Linearregler seriell zwischen den zweiten Knoten der tiefstgelegenen LED-Einheit und dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist. Der dritte Knoten einer jeweiligen LED-Einheit, die nicht die höchstgelegene LED-Einheit darstellt, ist mit dem zweiten Knoten der nächst höhergelegenen LED-Einheit gekoppelt.
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Da der jeweilige erste elektronische Schalter durch Variation des Potenzials an der Bezugselektrode geschaltet wird, ist an deren Steuerelektrode eine geeignet gewählte Gleichspannung anzulegen. Erfindungsgemäß sind deshalb die fünften Knoten aller LED-Einheiten mit einer Gleichspannungsquelle gekoppelt.
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Um einen besonders hohen Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zu ermöglichen, ist die Gleichspannungsquelle dadurch realisiert, dass die im Betrieb der Schaltungsanordnung am zweiten Knoten der tiefstgelegenen LED-Einheit auftretende Wechselspannung zur Erzeugung einer Gleichspannung verwendet wird. Auf diese Weise muss keine separate Hilfsspannung zur Erzeugung des Potenzials am fünften Knoten vorgesehen werden, beispielsweise unter Verwendung eines mit dem Gleichrichterausgang gekoppelten Buck-Konverters; vielmehr wird vorliegend ein besonders geschickt gewähltes Wechselspannungssignal innerhalb der Schaltungsanordnung verwertet. Wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt haben, ist nämlich besonders geeignet die am zweiten Knoten der tiefstgelegenen LED-Einheit auftretende Wechselspannung, da diese unabhängig vom Momentanwert der Versorgungswechselspannung quasi fortwährend am zweiten Knoten vorhanden ist und damit dauerhaft, das heißt ebenfalls unabhängig vom Momentanwert der Versorgungswechselspannung, zur Versorgung des fünften Knotens zur Verfügung steht. Die vorliegend erzeugte Hilfsspannung hat lediglich eine geringe Restwelligkeit, weshalb im Vergleich zu anderen Hilfsspannungsversorgungen sehr kleine Kapazitäten verwendet werden können. Sie ist sehr einfach aufgebaut und kompakt zu realisieren. Überdies ist sie aus diesem Grunde auch kostengünstig. Besonders von Vorteil ist der Umstand, dass für die Hilfsspannungsversorgung ein Strom entnommen wird, der sonst im Linearregler in Verlustleistung umgewandelt worden wäre. Somit entsteht durch die Hilfsspannungsversorgung keine zusätzliche Verlustleistung, wodurch der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung optimiert wird. Dies resultiert nicht nur in geringen Kosten einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, sondern auch in einer geringen Baugröße.
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Besonders bevorzugt umfasst jede LED-Einheit weiterhin einen zweiten Kondensator, der der jeweiligen LED-Kaskade parallel geschaltet ist. Auf diese Weise können die LEDs der jeweiligen LED-Kaskade aus dem jeweiligen zweiten Kondensator versorgt werden in den Phasen, in denen die LEDs der jeweiligen Kaskade nicht unmittelbar aus der gleichgerichtete Versorgungswechselspannung versorgt werden, sei es, weil die gleichgerichtete Versorgungswechselspannung kleiner als die Summe der Flussspannungen der jeweiligen LED-Kaskade ist, oder sei es, weil eine andere LED-Kaskade aktiv ist und die betreffende LED-Kaskade gerade kurzgeschlossen ist. Dies resultiert in einer Reduktion der Lichtmodulation, sodass Flickererscheinungen mit dem menschlichen Auge kaum mehr wahrgenommen werden können.
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Bevorzugt umfasst jede LED-Einheit weiterhin eine dritte Diode, die zwischen den fünften Knoten und die Steuerelektrode des jeweiligen ersten elektronischen Schalters gekoppelt ist. Diese dritte Diode dient dazu, die Steuerelektrode des jeweiligen ersten elektronischen Schalters zu schützen. Bei entsprechend spannungsfester Auslegung des ersten elektronischen Schalters können diese dritten Dioden entfallen.
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Besonders bevorzugt umfasst die Gleichspannungsquelle eine Ladungspumpe, deren Eingang mit dem zweiten Knoten der tiefstgelegenen LED-Einheit gekoppelt ist und deren Ausgang mit dem fünften Knoten aller LED-Einheiten gekoppelt ist. Durch die Verwendung einer Ladungspumpe kann besonders einfach aus der am zweiten Knoten der tiefstgelegenen LED-Einheit auftretenden Wechselspannung eine Gleichspannung zur Versorgung des fünften Knotens aller LED-Einheiten gewonnen werden. Die Ladungspumpe umfasst bevorzugt die Serienschaltung eines Einweggleichrichters und einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung. Dies ermöglicht die Bereitstellung einer Spannungsversorgung für den fünften Knoten, die zuverlässig unter einem vorgebbaren Schwellwert liegt. Durch diese Maßnahme lässt sich eine besonders geringe Welligkeit der Hilfsspannung bereitstellen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gleichspannungsquelle die Serienschaltung eines ohmschen Widerstands und einer vierten Diode, die zwischen den zweiten Knoten der tiefstgelegenen LED-Einheit und die fünften Knoten aller LED-Einheiten gekoppelt ist, sowie die Parallelschaltung eines dritten Kondensators und einer Zenerdiode, die zwischen die fünften Knoten aller LED-Einheiten und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist.
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Bevorzugt umfassen die LED-Einheiten jeweils eine unterschiedliche Anzahl an LEDs. Auf diese Weise wird grundsätzlich die Möglichkeit geschaffen, eine Anpassung der LED-Stringspannung an den Momentanwert der gleichgerichteten Versorgungswechselspannung vorzunehmen.
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Besonders bevorzugt umfasst dabei jede höhergelegene LED-Einheit die doppelte Anzahl an LEDs wie die nächst niedriger gelegene LED-Einheit. Auf diese Weise kann eine besonders gleichmäßige Anpassung an die gleichgerichtete Versorgungswechselspannung vorgenommen werden.
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Es kann weiterhin eine Regelvorrichtung zur Regelung des Stroms durch den Linearregler vorgesehen sein, wobei der Eingang der Regelvorrichtung mit dem fünften Knoten gekoppelt ist und der Ausgang der Regelvorrichtung mit dem Eingang des Linearreglers. Eine derartige Regelvorrichtung ermöglicht beispielsweise eine Regelung des Stroms durch die mindestens eine LED-Einheit in Abhängigkeit der Temperatur.
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Besonders bevorzugt umfasst eine derartige Regelvorrichtung einen dritten elektronischen Schalter mit einer Steuerelektrode, einer Bezugselektrode und einer Arbeitselektrode sowie einen Spannungsteiler mit mindestens einem ohmschen Widerstand und einem NTC-Widerstand, wobei der Spannungsteiler zwischen den fünften Knoten und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei der Abgriff des Spannungsteilers mit der Steuerelektrode des dritten elektronischen Schalters gekoppelt ist, wobei die Bezugselektrode des dritten elektronischen Schalters mit dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei die Arbeitselektrode des dritten elektronischen Schalters mit dem Eingang des Linearreglers gekoppelt ist. Bei Erwärmung der Schaltungsanordnung erhöht sich demnach die Spannung an der Steuerelektrode des dritten elektronischen Schalters, wodurch dieser zunehmend leitend geschaltet wird. Dies führt dazu, dass sich im Gegenzug die Spannung am Eingang des Linearreglers entsprechend reduziert. Auf diese Weise wird der Strom durch den Linearregler ebenfalls reduziert und damit die von den LED-Einheiten umgesetzte Leistung. Neben einer Temperaturregelung stellt diese Maßnahme auch eine Temperaturabschaltung bereit, wenn eine vorgebbare Maximaltemperatur überschritten wird.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und
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2 in schematischer Darstellung eine Alternative zu einem Teilbereich der in 1 schematisch dargestellten Schaltungsanordnung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Eine Netzwechselspannung 701 ist über einen Gleichrichter 702 mit zwei Knoten 703 und 704 verbunden. Der Knoten 703 ist über die Serienschaltung zweier Widerstände R1 und R2 mit einem Knoten 759 verbunden. Der Knoten 759 ist über die Serienschaltung dreier Dioden D5, D6, D7 und einen ohmschen Widerstand R3 mit dem Knoten 704 gekoppelt, wobei die Kathode der Dioden D5, D6, D7 in Richtung des Knotens 704 zeigt. Die ohmschen Widerstände R1, R2, die Dioden D5, D6, D7 und der ohmsche Widerstand R3 bilden einen Spannungsteiler, dessen Abgriff der Knoten 759 darstellt.
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Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin einen Linearregler 12, der zwei NPN-Transistoren Q1, Q2 in Darlington-Anordnung sowie einen ohmschen Widerstand R5 umfasst, der seriell zu der genannten Darlington-Stufe Q1, Q2 gekoppelt ist. Die Basis des Transistors Q2 stellt den Steueranschluss des Linearreglers 12 dar und ist mit dem Knoten 759 gekoppelt.
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Zwischen die Knoten 703 und 704 ist eine Serienschaltung von vorliegend vier LED-Einheiten LE2, LE3, LE4 sowie einem Linearregler 12 gekoppelt. Der Aufbau einer LED-Einheit wird nachfolgend am Beispiel der LED-Einheit LE4 dargestellt, wobei der Aufbau der LED-Einheiten LE1, LE2 und LE3 im Wesentlichen identisch ist, sich lediglich durch die Anzahl der jeweiligen LEDs und der sich daraus ergebenden Dimensionierung der Bauelemente unterscheidet.
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Die LED-Einheit LE4 umfasst die LEDs D400 bis D406, demnach 7 LEDs, die seriell zueinander geschaltet sind und eine LED-Kaskade bilden. Seriell zu der LED-Kaskade ist eine Diode D43 gekoppelt, wobei der Kopplungspunkt der Diode D43 und der LED-Kaskade einen Knoten N41 darstellt. Der nicht mit der Diode D43 gekoppelte Anschluss der LED-Kaskade stellt einen Knoten N42 dar. Der nicht mit der LED-Kaskade gekoppelte Anschluss der Diode D43 stellt einen dritten Knoten N43 dar. Parallel zur LED-Kaskade kann ein optionaler Kondensator C43 gekoppelt sein. Zwischen den Knoten N43 und den Knoten N42 ist die Serienschaltung eines Kondensators C42 und einer Diode D42 gekoppelt, wobei der Kopplungspunkt des Kondensators C42 mit der Diode D42 einen Knoten N44 darstellt.
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Die LED-Einheit LE4 umfasst weiterhin zwei elektronische Schalter Q41 und B41, wobei die Steuerelektrode des Schalters Q41 über die Serienschaltung einer Diode D41 und eines ohmschen Widerstands R41 mit einem Knoten N5 gekoppelt ist. Die Bezugselektrode des Schalters Q41 ist mit dem Knoten N44 gekoppelt, während seine Arbeitselektrode über einen ohmschen Widerstand R42 mit der Steuerelektrode des Schalters B41 gekoppelt ist. Die Bezugselektrode des Schalters B41 ist mit dem Knoten N42 gekoppelt, während seine Arbeitselektrode mit dem Knoten N43 gekoppelt ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Schalter B41 als Darlington-Stufe realisiert und umfasst die Transistoren Q42, Q43 sowie die ohmschen Widerstände R43 und R44. Anstelle der Darlington-Stufe könnte jedoch auch ein einzelner Transistor vorgesehen sein.
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Die LED-Einheiten LE3, LE2, LE1 sind vergleichbar aufgebaut, umfassen jedoch jeweils eine unterschiedliche Anzahl an LEDs. So umfasst die LED-Einheit LE3 die LEDs D300 bis D313, also 14 LEDs. Die LED-Einheit LE2 umfasst die LEDs D200 bis D227, das heißt 28 LEDs, und die LED-Einheit LE1 umfasst die LEDs D100 bis D155, also 56 LEDs. Wie deutlich zu erkennen ist, verdoppelt sich die Anzahl der LEDs ausgehend von der tiefstgelegenen LED-Einheit LE4 bis zur höchstgelegenen LED-Einheit LE1 von LED-Einheit zu LED-Einheit.
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Der zweite Knoten der tiefstgelegenen LED-Einheit, vorliegend der Knoten N42, ist mit der Arbeitselektrode des Linearreglers 12 gekoppelt, während der dritte Knoten N13 der höchstgelegenen LED-Einheit LE1 mit dem Knoten 703 gekoppelt ist. Zwischen den Knoten N5 und den Linearregler 12 ist eine Hilfsspannungsquelle 14 gekoppelt, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird.
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Beispielhaft weist die in 1 dargestellt Schaltungsanordnung die folgenden Bauteile bzw. Dimensionierungen auf: R1 75 kΩ, R2 500 kΩ, R3 2,5 kΩ, R5 10 Ω, R11 200 kΩ, R21 100 kΩ, R31 50 kΩ, R41 25 kΩ, R12 1 mΩ, R22 500 kΩ, R32 250 kΩ und R42 125 kΩ. R13 = R23 = R33 = R43 10 kΩ, R14 = R24 = R34 = R44 1 kΩ, C12 = 470 nf, C22 = 1 µf, C32 = 1 µf, C42 = 1 µf, C13 = 22 µf, C23 = 47 µf, C33 = 100 µf und C43 = 220 µf, R4 = 5 kΩ, C2 = 22 µf.
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Die Kondensatoren C13, C23, C33 und C43 sind vergleichsweise groß dimensioniert und dienen als Pufferkondensator für die LEDs der jeweiligen LED-Kaskade. Hierbei ist es von Vorteil, dass diese Kondensatoren lediglich für die an der entsprechenden LED-Kaskade abfallende Spannung und damit nicht für die volle Höhe der Netzwechselspannung V1 ausgelegt werden müssen. Entsprechend können diese Kondensatoren kleiner und damit platzsparender ausgeführt sein.
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Die Dioden D11, D21, D32, D41 sind optional und können eingespart werden, wenn die Transistoren Q11, Q21, Q31 und Q41 entsprechend spannungsfest ausgelegt sind.
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Innerhalb des Spannungsteilers ist die Diode D7 optional, die Dioden D5 und D6 dienen dazu die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren Q1 und Q2 zu kompensieren. Die am ohmschen Widerstand R3 abfallende Spannung entspricht daher im Wesentlichen der Spannung, die über dem ohmschen Widerstand R5 abfällt. Der Strom durch den Widerstand R5 ist demnach halbsinusförmig. Daraus folgt, dass der Strom durch die Schaltungsanordnung der Eingangsspannung folgt, wodurch sich ein guter Powerfaktor ergibt sowie geringe EMV-Störungen.
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Durch die Dimensionierung der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung kann erreicht werden, dass der Transistor B11 mit einer Schaltfrequenz von ca. 100 Hz betrieben wird. Ein aufgrund dieser Schaltfrequenz unter Umständen wahrnehmbares Flickern wird durch den zugeordneten Pufferkondensator C13 verhindert. Der Transistor B21 arbeitet mit einer Schaltfrequenz von ca. 200 Hz, der Schalter B31 mit einer Schaltfrequenz von ca. 400 Hz und der Schalter B41 mit einer Schaltfrequenz von ca. 800 Hz.
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Die Kombination aus dem Kondensator C12 und der Diode D12 stellt einen Spitzenwertdetektor für die LED-Einheit LE1 umfassend die LED-Kaskade mit den LEDs D100 bis D155 dar. Entsprechend stellen der Kondensator C22 und die Diode D22 einen Spitzenwertdetektor für die LED-Einheit LE2, der Kondensator C32 und die Diode D32 einen Spitzenwertdetektor für die LED-Einheit LE3 und der Kondensator C42 und die Diode D42 einen Spitzenwertdetektor für die LED-Einheit LE4 dar.
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Die Transistoren Q11, Q21, Q31 und Q41 agieren als Komparatoren. Die Funktionsweise wird nachfolgend beispielhaft anhand der tiefstgelegenen LED-Einheit LE4 beschrieben.
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Der Widerstand R42 ist in Kombination mit dem Kondensator C42 so ausgelegt, dass der Kondensator C42 auch während der längsten zu erwartenden Einschaltphase des Schalters B41 nur gering entladen wird. Die Spannungsquelle 14 gibt einen Spannungsoffset als minimale Spannung, beispielsweise in Höhe von 6 V, vor, die bei dem Schalter Q1, Q2 des Linearreglers 12 nicht unterschritten werden soll. Der Transistor Q41 vergleicht die Spannung 6 V mit der Spannung am Knoten N44. Schaltet der Schalter B41 durch, so werden die LEDs D400 bis D407 überbrückt, das heißt kurzgeschlossen. Dies verschiebt auch die Arbeitspunkte der verbleibenden Ansteuereinheiten für die LEDs der LED-Einheit LE3, LE2 und LE1.
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Zur Funktionsweise: Als Einschaltzeitpunkt wird im Nachfolgenden der Beginn einer Halbwelle der Wechselspannungsquelle 701 angenommen. Weiterhin wird angenommen, dass alle Schalter der LED-Einheiten, d.h. die Schalter Q11, B11, Q21, B21, Q31, B31, Q41, B41, leitend sind und alle Kondensatoren geladen (eingeschwungener Zustand). Die Flussspannung einer LED wird zu 3V angenommen, die einer Diode zu 0,7 V.
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Infolge der leitend geschalteten Schalter liegt die momentane Ausgangsspannung des Gleichrichters 702 am Knoten 703 auch am Punkt N42 an. Die Knoten N42 und N43 liegen auf demselben Potenzial, da die Schalter Q42 und B41 leitend angenommen wurden. Die von der Hilfsspannungsquelle 14 an den Knoten N5 bereitgestellte Spannung werde im Ausführungsbeispiel zu 6 V angenommen.
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Der Kondensator C42 sei zu Beginn der Halbwelle aus dem vorherigen Zyklus auf +21 V aufgeladen. Diese 21 V ergeben sich aus 7 mal die Flussspannung der Dioden D400 bis D406, wobei jede Flussspannung, wie oben erwähnt, zu 3 V angenommen wird. Somit ergibt sich am Knoten N44 ein Potential von –21V. Der Knoten N5 ist durch die Hilfsspannungsquelle 14 auf 6 V aufgeladen. Dadurch ergibt sich ein Stromfluss durch die Diode D41, den Widerstand R41 sowie den Transistor Q41. Der Transistor Q41 ist leitend, da an seiner Basis ein Potenzial von ca. 6 V anliegt, an seinem Emitter ein Potenzial von etwa minus 21 V. Dadurch, dass der Transistor Q41 leitend ist, ist auch der Schalter B41 leitend. Der Strom fließt demnach an der LED-Kaskade der LED-Einheit LE4 vorbei, das heißt die LED-Kaskade ist kurzgeschlossen und nicht bestromt. Vereinbarungsgemäß sind auch die Schalter B31, B21 und B11 leitend, sodass auch die LED-Kaskaden der LED-Einheiten LE1, LE2 und LE3 nicht bestromt sind. Diese Situation stellt den Ausgangspunkt einer Halbwelle der gleichgerichteten Netzwechselspannung V1 dar.
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Im weiteren Verlauf der Halbwelle steigt das Potenzial der Halbwelle an. Aufgrund des damit anwachsenden Potenzials am Knoten 759 beginnt der Linearregler 12 allmählich leitend zu werden.
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Solange die Schalter Q41 und B41 leitend sind, ist das Potenzial am Knoten N43 gleich dem Potenzial am Knoten N42. Im weiteren Verlauf der Halbwelle steigt das Potenzial am Knoten N43 solange bis das Potenzial am Knoten N44 etwa 5,3 V beträgt (Potenzial am Knoten N5 minus der Flussspannung der Diode D41). Zu diesem Zeitpunkt wird die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q41 zu 0 V. Dadurch, dass über dem Kondensator C42 21 V abfallen, ist dies demnach dann der Fall, wenn das Potenzial am Knoten N42 26,3 V beträgt. Zu diesem Zeitpunkt gehen die Schalter Q41 und B41 in den sperrenden Zustand, das heißt die Potenziale an den Knoten N43 und N42 sind entkoppelt. Das Potenzial am Knoten N43 bleibt bei 26,3 V.
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Da der Linearregler 12 aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung durch den Spannungsteiler den Stromfluss durch den ohmschen Widerstand R5 entsprechend der Vorgabe des Spannungsteilers aufrechterhalten will, wird der Linearregler 12 zunehmend leitend geschaltet, wodurch das Potenzial am Knoten N42 solange sinkt, bis der Sollstrom eingestellt ist. Dies ist der Fall, wenn die Spannung am Knoten N42 bis 4,6 V abgesunken ist. Dieser Wert folgt aus dem Potenzial am Knoten N43, das, siehe oben, nach dem Sperrend-Schalten der Schalter Q41 und B41 26,3 V beträgt, minus 7 mal die Diodenflussspannung von 3 V, minus 0,7 V für die Flussspannung der Diode D43. Damit ist die Voraussetzung geschaffen, dass der Strom über die LED-Kaskade der LED-Einheit LE4 fließt, weshalb ab diesem Zeitpunkt diese Kaskade leuchtet (sofern der optionale Kondensator C43 fehlt; ist er vorhanden, ist dessen Laden zu berücksichtigen).
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Im weiteren Verlauf steigt die Halbwelle weiter an, wodurch das Potenzial am Knoten N43 weiter anwächst. Über die leitenden LEDs D400 bis D406 steigt damit auch das Potenzial am Knoten N42 an. Die Spannungsdifferenz zwischen dem Potenzial am Knoten N43 und am Knoten N42 beträgt 26,3 V – 4,6 V = 21,7 V. Der Kondensator C32 ist auf 14 × 3 V = 42 V aufgeladen (14 mal die Flussspannung der Dioden D300 bis D313).
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Steigt die Halbwelle auf 26,7 V, liegen diese 26,7 V am Knoten N33 an, da alle darüberliegenden Schalter Q21, B21, Q11 und B11 leitend geschaltet sind. Die Spannung am Knoten N34 beträgt daher 26,7 V – 42 V = –15,3 V. Da die Spannung am Knoten N5 nach wie vor 6 V beträgt, sind die Schalter Q31 sowie B31 leitend. Bei weiter steigender Halbwelle erhöht sich das Potenzial am Knoten N33 und damit das Potenzial am Knoten N34. Wenn das Potenzial am Knoten N34 5,3 V erreicht hat (Potenzial am Knoten N5 von 6 V minus Basis-Emitter-Spannung des Schalters Q31) geht der Schalter Q31 und damit der Schalter B31 in den sperrenden Zustand über. Bei weiter steigender Eingangsspannung steigt das Potenzial am Knoten N33 weiter an bis 47,3 V erreicht sind (5,3 V am Knoten N34 plus 14 mal 3 V). Dies ist der Zeitpunkt, ab dem der Strom über die LED-Kaskade D300 bis D313 der LED-Einheit LE3 zu fließen beginnt. Bei einer Eingangsspannung von 47,3 V fallen damit 14 mal 3 V plus 0,7 V (14 mal die Flussspannung der LEDs D300 bis D313 sowie die Flussspannung der Diode D33) ab, sodass das Potenzial am Knoten N32 nur mehr 4,6 V beträgt. Da der Knoten N32 dem Knoten N43 entspricht, beträgt damit auch das Potenzial am Knoten N43 lediglich noch 4,6 V. Das Potenzial am Knoten N44 beträgt demnach 4,6 V minus 21,0 V (entsprechend dem Potenzial am Knoten N43 abzüglich der über dem Kondensator C42 abfallenden Spannung) gleich minus 16,4 V. Damit beträgt die Spannungsdifferenz zwischen dem Knoten N5 und dem Knoten N44 –22,4 V, wodurch der Transistor Q41 und damit der Schalter B41 wieder leitend wird. Auf diese Weise wird die LED-Kaskade D400 bis D406 der LED-Einheit LE4 wieder kurzgeschlossen, das heißt sie wird nicht mehr bestromt.
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In entsprechender Weise werden die LED-Kaskaden der LED-Einheiten LE2 und LE1 bestromt.
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Wenn die Halbwelle ihr Maximum überschritten hat, setzt der umgekehrte Effekt ein, das heißt es werden nacheinander die LED-Kaskaden der LED-Einheiten LE1, LE2, LE3 und LE4 entsprechend der obigen Reihenfolge geschalten bis bei einem Phasenwinkel von 180° wieder alle LED-Kaskaden überbrückt sind (B11 bis B41 leitend) und eine neue Halbwelle beginnt.
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Die nachfolgenden Ausführungen betreffen eine besonders vorteilhafte Realisierung zur Bereitstellung des Potenzials am Knoten N5.
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Üblicherweise wird für die Bereitstellung einer Hilfsspannung ein Buckkonverter verwendet, der mit dem Ausgang des Gleichrichters gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird jedoch zur Erzeugung einer Hilfsspannung für den Knoten N5 der Spannungsabfall am Linearregler 12, das heißt die Spannung am Knoten N42 genutzt. Aufgrund der binären Auslegung der LED-Kaskaden wird am Linearregler 12 eine sägezahnähnliche Spannung abgreifbar, die zwischen 0 und 26,7 V schwankt bis alle LED-Kaskaden zugeschaltet sind. Sind alle LED-Kaskaden aktiviert, fällt am Linearregler eine Spannung ab, die sich aus der Differenz der Eingangsspannung und der Summe der über den LED-Kaskaden abfallenden Spannungen ergibt. Da die Spannungsspitzen dieser sägezahnähnlichen Spannung innerhalb einer Halbwelle zeitlich gut verteilt sind, kann diese sägezahnähnliche Spannung verwendet werden, um mittels eines RC-Glieds R4, C2 sowie Gleichrichter- und Zenerdiode D3, D2 eine Hilfsspannung zu erzeugen. Diese Hilfsspannung hat lediglich eine geringe Restwelligkeit, weshalb im Vergleich zu anderen Hilfsspannungsversorgungen sehr kleine Kapazitäten verwendet werden können. Sie ist sehr einfach aufgebaut und kompakt zu realisieren. Überdies ist sie aus diesem Grunde auch kostengünstig. Besonders von Vorteil ist der Umstand, dass für die Hilfsspannungsversorgung ein Strom entnommen wird, der sonst im Linearregler 12 in Verlustleistung umgewandelt worden wäre. Folglich wird erfindungsgemäß eine parasitäre Leistung zur Erzeugung der Hilfsspannung am Knoten N5 genutzt. Somit entsteht durch die Hilfsspannungsversorgung keine zusätzliche Verlustleistung, der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung wird optimiert.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Hilfsspannungsversorgung 14. Diese umfasst weiterhin eine Regelvorrichtung 16 zur Regelung des Stroms durch den Linearregler 12. Der Eingang der Regelvorrichtung 16 ist mit dem Knoten N5 gekoppelt, der Ausgang mit der Steuerelektrode des Schalters Q2. Die Regelvorrichtung 16 umfasst einen Transistor Q3 sowie einen Spannungsteiler, der ohmsche Widerstände R7 und R9 sowie einen NTC-Widerstand umfasst. Der Abgriff des Spannungsteilers ist mit der Steuerelektrode des Transistors Q3 gekoppelt. Der Kollektor des Transistors Q3 ist mit der Steuerelektrode des Schalters Q2 gekoppelt.
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Sobald die Temperatur der Schaltungsanordnung steigt, wird der Transistor Q3 zunehmend leitend geschaltet, wodurch der Schalter Q1 zunehmend in den sperrenden Zustand übergeht. Dadurch sinkt der Strom durch den Widerstand R5, wodurch die in den LEDs umgesetzte Leistung verringert wird. Wenn die Temperatur so hoch wird, dass der Schalter Q3 voll leitend geschaltet ist, wird eine Temperaturabschaltung der Schaltungsanordnung realisiert. Die Regelvorrichtung 16 wird mittels der Hilfsspannung am Knoten N5 betrieben.
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In 2 ist überdies eine Einschaltstromverzögerung gezeigt, die die Diode D8 sowie die Parallelschaltung des Kondensators C7 und des ohmschen Widerstands R6 umfasst. Dadurch wird erreicht, dass sich die Spannung an der Basis des Transistors Q2 erst langsam erhöht, bis sich der Kondensator C7 auf seinen Spitzenwert aufgeladen hat. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass im Einschaltmoment keine unzulässig hohe Verlustleistung im Transistor Q1 auftritt. Ebenso ermöglicht es ein Betreiben von mehreren Modulen an einer Haussicherung, ohne dass diese beim Einschalten auslöst.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt R9 500 Ω, der NTC-Widerstand 47 kΩ, R7 500 Ω, R4 10 kΩ, C2 10 µf, C7 10 µf und R6 200 kΩ.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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