-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, insbesondere eine Treiberschaltung für einen LED-Treiber/LED-Konverter und ein Verfahren für einen Betrieb der Schaltungsanordnung. Die Schaltung weist dabei einen potentialgetrennten Wandler auf (beispielsweise einen Flyback-Wandler), der primärseitig getaktet ist. Dabei ist der Wandler primärseitig mittels eines Schalters getaktet und eingangsseitig ausgehend von einer AC-Spannung (bspw. Netzspannung) oder einer DC-Spannung (bspw. für Notlichtbetrieb) versorgbar. Die Primärseite ist hierbei von der Sekundärseite, an die wenigstens ein Leuchtmittel, bspw. wenigstens eine LED anschließbar und betreibbar ist, potentialgetrennt.
-
Der Schalter kann durch eine Steuereinheit, beispielsweise ein Mikrocontroller, eine ASIC oder eine IC, gesteuert werden und entweder in der Steuereinheit (insbesondere in einem IC) vorgesehen sein, oder getrennt davon (bspw. extern) vorgesehen sein.
-
Aufgrund des getakteten Betriebs des Schalters besteht ein Problem dahingehend, dass bei einem Takten des Schalters mit im wesentlichen konstanter Frequenz unerwünschte Nebeneffekte entstehen. So kann beispielsweise eine erhöhte elektromagnetische Interferenz (RFI, Radio Frequency Interference oder EMI, Electro Magnetic Interference) erzeugt werden.
-
Um dieses Problem zu lösen, schlägt die Erfindung vor, erzeugte Störenergie gezielt über unterschiedliche Frequenzen zu verbreitern. Dies wird im folgenden Frequenzmodulation, bzw. „(frequency) jittering” genannt.
-
Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Schaltungsanordnung bereit zu stellen, die es erlaubt, Steuereinheiten ohne Frequenzmodulationsfunktionalität zu verwenden, die leicht und günstig am Markt verfügbar sind. Die Schaltungsanordnung stellt deshalb eine insbesondere separate Modulationsschaltung bereit, die eine Frequenzmodulationsfunktionalität (frequency jittering) bietet, um das Verhalten bzgl. der RFI/EMI zu verbessern.
-
Die stellt daher eine Schaltungsanordnung, insbesondere eine Treiberschaltung für ein Leuchtmittel, z. B. wenigstens eine LED, nach Anspruch 1 bereit. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weiter stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch bereit.
-
In einem Aspekt stellt die Erfindung eine Schaltungsanordnung, insbesondere Treiberschaltung für eine wenigstens eine LED, bereit, aufweisend: einen primärseitig mittels eines Schalters getakteten potentialgetrennten Wandler, der eingangsseitig ausgehend von einer durch einen Gleichrichter gleichgerichteten AC-Spannung, insbesondere einer Netzspannung, oder einer DC-Spannung versorgbar ist und ausgehend von dessen Sekundärseite die wenigstens eine LED betreibbar ist, eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, ein zugeführtes Referenzsignal mit einem vorzugsweise die Leistungsaufnahme der LED direkt oder indirekt wiedergebenden, zugeführten Rückführsignal zu vergleichen, und den Schalter des Wandlers basierend auf dem Vergleich anzusteuern, und eine Modulationsschaltung, die dazu ausgelegt ist, in einem Feed-Forward-Betrieb ein der Steuereinheit zugeführtes, die Frequenz der Taktung des Schalters beeinflussendes Eingangssignal, insbesondere das Referenzsignal zyklisch zu modulieren. Diese Frequenz der zyklische „Jitter”-Modulation ist vorzugsweise konstant. Vorzugsweise ist auch der Modulationshub konstant.
-
Das Eingangssignal kann ein moduliertes Eingangssignal, insbesondere ein Leistungsfaktorkorrektursignal, sein, das also derart moduliert ist, dass die Ansteuerung des Wandlers derart erfolgt, dass der Leistungsfaktor verbessert wird. Das Leistungsfaktorkorrektursignal ist daher vorzugsweise mit der Frequenz der anliegenden AC-Spannung oder einem Vielfachen davon moduliert. Dies ist wenigstens einen Faktor 10 niedriger als die Jittering-Frequenz.
-
Die Modulationsschaltung kann das modulierte Referenzsignal hochfrequent modulieren.
-
Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, den Schalter abhängig von einem Schwellenwert zu schalten, insbesondere den Schalter bei Erreichen des Schwellenwerts zu deaktivieren.
-
Das Eingangssignal kann den Schwellenwert beeinflussen.
-
Der Steuereinheit kann das durch die Modulationsschaltung modulierte modulierte Eingangssignal als kombiniertes Signal zugeführt werden.
-
Das Eingangssignal, insbesondere das kombinierte Signal kann der Steuereinheit über einen Ladungsspeicher zugeführt werden. Der Ladungsspeicher kann dazu eingerichtet sein, das Eingangssignal so zu mitteln, dass das Referenzsignal im zeitlichen Mittel konstant ist.
-
Die Schaltungsanordnung kann mit einem Gleichstrom/einer Gleichspannung betrieben sein.
-
Die Schaltungsanordnung kann eine Notlichttreiberschaltung sein.
-
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung, insbesondere einer Treiberschaltung für wenigstens eine LED bereit, wobei ein primärseitig mittels eines Schalters getakteten potentialgetrennten Wandler, der eingangsseitig ausgehend von einer durch einen Gleichrichter gleichgerichteten AC-Spannung, insbesondere einer Netzspannung, oder einer DC-Spannung versorgt wird, ausgehend von seiner Sekundärseite die wenigstens eine LED betreibt, und wobei eine Steuereinheit ein zugeführtes Referenzsignal mit einem zugeführten Rückführsignal vergleicht, und den Schalter des Wandlers (FB) basierend auf dem Vergleich ansteuert, und wobei eine Modulationsschaltung in einem Feed-Forward-Betrieb ein der Steuereinheit zugeführtes, die Frequenz der Taktung des Schalters beeinflussendes Eingangssignal, insbesondere das Referenzsignal zyklisch moduliert.
-
In noch einem Aspekt stellt die Erfindung ein Notlichtbetriebsgerät mit einer Schaltungsanordnung, wie sie vorstehend Beschrieben ist, bereit.
-
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Leuchte mit einem Notlichtbetriebsgerät, wie es vorstehend Beschrieben ist, bereit.
-
Die Erfindung wird nunmehr auch mit Blick auf die Figuren beschrieben.
-
Dabei zeigen
-
1 einen schematischen Überblick über die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung;
-
2 exemplarisch einen Schaltungsaufbau gemäß der Erfindung mit einer zu der Steuereinheit externen Modulationsschaltung, die eine Frequenzmodulation ermöglicht;
-
3 in Darstellung a) ein RFI/EMI-Spektrum ohne die erfindungsgemäße Frequenzmodulation, und Darstellung b) ein RFI-Spektrum mit der erfindungsgemäßen Frequenzmodulation.
-
Es ist dabei mit Blick auf die verwendbaren Bauteile sehr kostspielig, die Anforderungen hinsichtlich des RFI/EMI-Verhaltens kleiner Schaltnetzteile (switched-mode power supplies) einzuhalten. Passende Steuereinheiten, die von Haus aus bereits die Möglichkeit zur Frequenzmodulation bieten, benötigen wie bereits erwähnt, sehr viel Platz in der gesamten Schaltungsanordnung. Typischerweise werden 25–50% der Platine der Filterung der eingehenden und ausgehenden Signale der Schaltungsanordnung gewidmet.
-
Viele Steuereinheiten sind dabei so ausgelegt, dass sie eine konstante Schaltfrequenz voraussetzen. Dazu werden Riffelwellen (Rippel) der Versorgungsspannung nach oben oder nach unten verändert.
-
Der resultierende Effekt besteht darin, dass sich die Radiofrequenzenergie (RF Energy) über einen Frequenzbereich verteilt und das Erzeugen von großen Spektralspitzen bei Harmonischen der Betriebsfrequenz vermieden wird.
-
Hierdurch kann die Komplexität der Eingangsfilterschaltkreise stark reduziert werden, insbesondere bei Ausgestaltungen mit hohem Leistungsfaktor, bei denen gleichgerichtete Netzspannung typischerweise nicht geglättet ist. Die erzeugten großen Änderungen der Versorgungsspannung ergeben eine sehr effektive Modulation der Schaltfrequenz.
-
Beim Betrieb mit einer Gleichspannung/einem Gleichstrom (DC) existiert dieser Modulationseffekt nicht, was zu einer Verschärfung der RFI/EMI-Probleme führt.
-
Insbesondere im Bereich der Notlichtgerätetreiber ist das problematisch, da diese auf einen Batteriebetrieb ausgelegt sind. Aus diesem Grund bieten zwar manche Steuereinheiten, wie oben ausgeführt, bereits die Möglichkeit die Frequenz zu „jittern”, die Frequenz also so zu modulieren, dass sich ein hochfrequentes Zittern ergibt.
-
Wie bereits erwähnt gibt es jedoch eine Vielzahl von Steuereinheiten, die sich in jeder Hinsicht exzellent für den Einsatz beispielsweise in Notlichttreibern, wie sie z. B. in Notlichtbetriebsgeräten eingesetzt werden, geeignet sind, jedoch die Möglichkeit zur Frequenzmodulation nicht bieten.
-
Ein Beispiel für eine solche Steuereinheit ist der Baustein HVLED815 von STMicroelectronics. Die erfindungsgemäß Lösung kann jedoch auch mit anderen Steuereinheiten (ICs) verwirklicht werden. Als ein weiteres Beispiel sei an dieser Stelle der NXP TDA4863 genannt.
-
Gemäß der Erfindung wird dieses Verschmieren (jittern) dadurch erzielt, dass ein an der Steuereinheit angelegtes Eingangssignal, insbesondere ein Referenzsignal mit einem (rückgeführten) Signal, z. B. ein Signal das den Strom durch die Primärseite wiedergibt, verglichen wird, um das Schalten des Schalters auszulösen und damit eine gezielte Frequenzmodulation zu verursachen.
-
Die Erfindung sieht zur Erzeugung der Frequenzmodulation daher eine von der Steuereinheit separate Modulationsschaltung vor. Aufgabe der Modulationsschaltung ist es, in einem Feed-Forward-Betrieb (Vorwärtssteuerung, d. h. ohne Rückführsignal) das der Steuereinheit zugeführtes, die Frequenz der Taktung des Schalters beeinflussendes Eingangssignal, insbesondere das Referenzsignal zyklisch zu modulieren.
-
Diese Frequenzmodulation kann dabei insbesondere durch einen Sägezahngenerator erfolgen. Als Frequenz kann der Sägezahngenerator beispielsweise mit einer Frequenz von 0,5 kHz–2 kHz, vorzugsweise ca. 1 kHz arbeiten.
-
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltung als Blockschaltbild.
-
Hier wird eine Wechselspannung/ein Wechselstrom durch den Gleichrichter 1 gleichgerichtet und einem Wandler FB, insbesondere einem Wandler mit Potentialtrennung und vorzugsweise einem Flyback-Konverter, zugeführt.
-
Der Wandler wird von der Steuereinheit SE gesteuert. Insbesondere wird ein zur Potentialtrennung primärseitiger, d. h. auf Seite der Netzspannungsversorgung und der Steuereinheit SE vorgesehener Schalter des Wandlers gesteuert. Der Schalter kann dabei als separater Transistor ausgeführt sein oder aber in der Steuereinheit SE vorgesehen sein.
-
Der Steuereinheit SE wird auch ein Signal, vorzugsweise von der Sekundärseite des Wandlers zugeführt.
-
Weiter ist eine Modulationsschaltung MS vorgesehen, der ein auf der gleichgerichteten Spannung/dem gleichgerichteten Strom basierendes Signal in einem Feed-Forward-Betrieb, d. h. in einem reinen Vorwärtsbetrieb, zugeführt ist. Dieses Signal ist z. B. ein Leistungsfaktorkorrektursignal (PFC-Signal), das bspw. mit einer Widerstandskombination erzeugt wird.
-
Die Modulationsschaltung MS moduliert nun die Frequenz des zugeführten Signals zyklisch hochfrequent, d. h. hochfrequent im Verhältnis zu der Modulation des ihr zugeführten Signals.
-
Die Modulationsschaltung MS führt dann das Signal, das beide Modulationen aufweist der Steuereinheit SE als Eingangssignal zu. Die Zuführung erfolgt dabei insbesondere über einen Ladungsspeicher, der dafür sorgt, dass sich das Referenzsignal im zeitlichen Mittel nicht ändert. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit selbst eine entsprechende Mittelung durchführt.
-
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung mit einer solchen Modulationsschaltung ist in 2 gezeigt, wobei die Modulationsschaltung, hier ein Sägezahngenerator, mit einem Rahmen gekennzeichnet ist.
-
Die Modulationsschaltung kann gemäß der Erfindung über einen Pfad gespeist werden, der bereits für eine Leistungsfaktorkorrektur-Modulation (PFC-Modulation) verwendet wird. Für die PFC-Modulation kann dabei ein Frequenzbereich von 90–150 Hz, vorzugsweise ca. 100 Hz vorgesehen sein. Die Spannung kann beispielsweise 0,5 V betragen.
-
Neben der in 2 umrahmt dargestellten Modulationsschaltung bilden die Widerstände R12, R13 und R14 einen Spannungsteiler, der das Leistungsfaktorkorrektursignal bereitstellt, auch dann wenn die gezeigte Treiberschaltung mit Wechselstrom betrieben wird.
-
Die Spannung über den Widerstand R3 gibt die gleichgerichtete Netzspannung mit einer Amplitude von ca. 1 bis 3, vorzugsweise 2 Volt wieder. Selbstverständlich kann die Amplitude auch durch andere Werte aufweisen, bspw. Werte innerhalb eines Bereichs von 1 bis 12 Volt.
-
Das von der der Modulationsschaltung erzeugte Signal wird mit der Leistungsfaktorkorrektur-Modulation kombiniert, vorzugsweise addiert, so dass letztlich ein der Steuereinheit zugeführtes Eingangssignal, bspw. eine Referenzspannung, zugeführt werden kann, das einerseits mit der Leistungsfaktorkorrektur-Modulation moduliert ist und dem andererseits die zu der Leistungsfaktorkorrektur-Modulation hochfrequente Frequenz aufmoduliert ist, die durch die Modulationsschaltung zyklisch erzeugt wird. Das Eingangssignal wird dabei der Steuereinheit so zugeführt, dass sichergestellt ist, dass die im zeitlichen Mittel das Referenzsignal unverändert bleibt.
-
So wird im zeitlichen Mittel die Leistung eines durch die Schaltungsanordnung betriebenen Leuchtmittels, insbesondere die Leistung einer LED-Strecke nicht beeinflusst.
-
Die in 2 gezeigte Modulationsschaltung stellt zusätzlich eine Kapazität C16 an der potentialniedrigeren Seite des Spannungsteilers (R12, R13, R14) bereit. Die übrigen Komponenten der Modulationsschaltung erzeugen ein moduliertes Signal, im dargestellten Beispiel eine Sägezahnspannung (oder einen Sägezahnstrom) über der Kapazität C16 (d. h., eine Spannung, alternativ einen Strom, mit sägezahnförmigen Verlauf), die bspw. eine Amplitude von 0 bis 2, insbesondere ca. 0,5 Volt und eine Frequenz von 0,5 bis 2, insbesondere ca. 1 kHz aufweist.
-
Das Eingangssignal wird der Steuereinheit zugeführt, wobei dabei z. B. der Spitzenstromwert/-spannungswert moduliert wird, bei dem die Steuereinheit während jedes Betriebszyklus den Schalter für den primärseitig getakteten Konverter deaktiviert.
-
Dadurch wird die ton Zeit des Schalters zyklisch verändert und die Betriebsfrequenz des Schalters wird über einen Frequenzbereich mit Fortschreiten der Modulation durch die Modulationsschaltung verschmiert („gejittert”).
-
Dies erfolgt unabhängig davon, ob die Schaltungsanordnung mit Wechselstrom/-spannung oder Gleichstrom/-spannung betrieben wird. Wird die Schaltungsanordnung jedoch mit Gleichstrom/-spannung betrieben, stellt die erfindungsgemäße Anordnung immer noch eine ausreichende Modulation der Schaltfrequenz des Schalters für den primärseitig getakteten Wandler bereit, so dass im Ergebnis das RFI/EMI-Verhalten der Schaltung stark verbessert wird und damit die Anforderungen hinsichtlich des RFI/EMI-Verhaltens, insbesondere bei Notlichttreibern, eingehalten werden können.
-
Wie aus der 2 weiter ersichtlich ist, wird in der beispielhaften Schaltungsanordnung der Pfad zu den Pins 13–16 geschaltet.
-
Gemäß der Erfindung erfolgt also die Frequenzmodulation dadurch, dass das Eingangssignal, bzw. das Referenzsignal an einem Pin der Steuereinheit, im dargestellten Beispiel an Pin 5 (ILED), angelegt wird, und durch einen Vergleich mit einem Signal, z. B. einem Rückführsignal das den Strom/die Spannung durch die Primärseite wiedergibt, verglichen wird, um ein Schalten des – in der bspw. dargestellten Steuereinheit – internen Schalters zu steuern. Das Rückführsignal ist im dargestellten Beispiel von der Sekundärseite des potenialgetrennten getakteten Wandlers zurück geführt zu der Steuereinheit.
-
Die Modulation erfolgt wie bereits erwähnt mittels der Modulationsschaltung. Die Modulationsschaltung wird gespeist durch den Pfad über die Widerstände R12 und R13, die bereits für die PFC-Modulation (bspw. im Frequenzbereich von 100 Hz) verwendet werden, und wobei das PFC-Modulierte Signal ebenfalls dem Pin 5 der Steuereinheit (ILED) beaufschlagt wird.
-
Der verwendete Pin 5 ist dabei originär dafür vorgesehen, über die Kapazität C5 auf Masse gelegt zu werden. Nunmehr wird also stattdessen die Kapazität C5 auf ein moduliertes Potential gelegt.
-
Das modulierte Signal der Modulationsschaltung wird also mit dem Leistungsfaktorkorrektur-Modulationssignal kombiniert, so dass letztlich die Referenzspannung an dem Pin 5 (ILED) der Steuereinheit mit der Leistungsfaktorkorrektur-Modulationsfrequenz einerseits und andererseits mit dem hochfrequenten Sägezahnfrequenzsignal moduliert ist. Durch den Anschluss über einen Ladungsspeicher, hier die Kapazität C5, wird sichergestellt, dass die beiden Modulationsarten im zeitlichen Mittel die Referenzspannung unverändert lassen.
-
3 zeigt exemplarisch RFI/EMI-Spektren. In Darstellung a) ist beispielhaft ein RFI/EMI-Spektrum dargestellt, wie es sich ergibt, wenn keine erfindungsgemäße zyklische Frequenzmodulation durch die Modulationsschaltung erfolgt. Unerwünschte Spitzenwerte der Störungen sind hervorgehoben.
-
In Darstellung b) wird hingegen eine Frequenzmodulation durch die Modulationsschaltung ausgeführt. Somit wird die Störungsenergie über einen Frequenzbereich verteilt und Störungsspitzen werden vermieden.
-
Durch die Versorgung der Modulationsschaltung ausgehend von der gleichgerichteten AC oder ausgehend von der DC-Spannung, kann die Modulationsschaltung ohne zusätzliche Spannungs-/Stromversorgung betrieben werden.
