DE102013205859B4

DE102013205859B4 - Verfahren und Betriebsschaltung zum Betrieb von Leuchtmitteln, insbesondere Leuchtdioden (LEDs)

Info

Publication number: DE102013205859B4
Application number: DE102013205859.4A
Authority: DE
Inventors: Ueli Keller; Eduardo Pereira
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2033-04-04
Also published as: WO2014161934A1; DE102013205859A1; AT15919U1

Abstract

Betriebsschaltung für den Betrieb einer LED-Strecke, aufweisend:- eine Schaltreglerschaltung zur Erzeugung eines Stroms für die LED-Strecke und aufweisend mindestens einen Schalter (S1) und eine als Energiespeicher dienende Spule (L1), und- eine Steuerschaltung (SR) zur Steuerung des Schalters (S1) mit einem Steuersignal (ST), bei dem einem hochfrequenten Impulssignal ein im Vergleich dazu niederfrequentes Impulssignal (STLF) überlagert wird, wobei das hochfrequente Impulssignal und das niederfrequente Impulssignal (STLF) synchronisiert sind und wobei die Zeitdauer (tON/LF1, tON/LF2) jedes Impulses des niederfrequenten Impulssignals (STLF) derart gewählt wird, dass während dieser Zeitdauer (tON/LF1, tON/LF2) das hochfrequente Impulssignal nur vollständige Impulse aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zum Betrieb von Leuchtmitteln insbesondere Leuchtdioden (LEDs) mittels beispielsweise Schaltreglern zur Bereitstellung eines Betriebsstroms für die LEDs.
Die Druckschrift US 2010/0 156 319 A1 offenbart ein LED-Beleuchtungssystem mit einer akkuraten Stromsteuerung. Die Druckschrift DE 11 2010 004 983 T5 offenbart eine Schaltung für den Betrieb von Leuchtdioden. Die Druckschrift US 2012/0 200 229 A1 offenbart ein LED-Beleuchtungssystem mit einer Vielzahl von LED-Strings und Verfahren zur Stromsteuerung.
Es ist grundsätzlich bekannt, Schaltregler, insbesondere Abwärtswandler zur Ansteuerung von LEDs zu verwenden. Dabei steuert eine Steuereinheit einen getakteten Halbleiter-Leistungsschalter an, mittels dem in dessen eingeschalteten Zustand eine Spule magnetisiert wird. Die in der Spule aufgebaute Energie entlädt sich im ausgeschalteten Zustand des Schalters über die LED-Strecke.
Es kommt somit durch die LED-Strecke zu einem zickzackförmigen Stromverlauf um einen konstanten Mittelwert herum, wobei sich im eingeschalteten Zustand des Schalters jeweils eine ansteigende Flanke und im ausgeschalteten Zustand des Schalters eine abfallende Flanke des Leuchtdiodenstroms ergibt. Der zeitliche Mittelwert des LED-Stroms wird durch entsprechende hochfrequente Taktung des Leistungsschalters durch eine Steuereinheit eingestellt.
Indessen ist es bekannt, dass zum Dimmen der LED-Strecke die Steuereinheit der hochfrequenten Taktung des Schalters eine im Vergleich dazu niederfrequente Pulsweitenmodulation, auch PWM-Modulation genannt, überlagern kann. Bei dieser PWM-Modulation wird bei konstanter Frequenz das Tastverhältnis bzw. der Tastgrad eines Rechteckpulses moduliert. Mit anderen Worten wird bei fester Impulsperiodendauer von der Steuereinheit entweder die Impulsdauer oder die Pausendauer nach einem Impuls geändert.
1 zeigt ein Beispiel für den Verlauf eines PWM-Signals LF_PWM, dass nach dem Stand der Technik der hochfrequenten Taktung des Schalters überlagern wird. In der PWM-Modulation bleibt die Impulsperiodendauer T_LF konstant, wobei die Frequenz des PWM-Signals beispielsweise 500 Hz beträgt. Wahlweise ist dann die Impulsdauer Ton_LF oder die Pausendauer Toff_LF zum Erreichen des gewünschten Dimm-Levels veränderbar. Der Schaltregler zur Ansteuerung der LED-Strecke wird in bekannter Weise von einer in 1 gezeigten Busspannung Vbus versorgt, die um einen Mittelwert V0 eine Restwelligkeit bzw. einen Ripple von beispielsweise 100 Hz aufweist.
Bei einer positiven Flanke des PWM-Signals LF_PWM wird der Schalter des Schaltreglers geschlossen, was zu einer linearen Steigung des LED-Stroms ILED führt. Bei Erreichen eines Maximalwerts Imax wird der Schalter geöffnet. Der LED-Strom nimmt wieder linear ab, bis eine untere Schwelle Imin erreicht wird. Das folgende Schließen des Schalters führt zum zuvor genannten zickzackförmigen Stromverlauf des LED-Stroms um den Wert Iamp während der Impulsdauer des PWM-Signals LF_PWM.
Nachdem die Steuereinheit einen Dimmbefehl erhalten hat, berechnet sie die entsprechende Impulsdauer Ton_LF, die für den gewünschten Dimmpegel erforderlich ist. Sobald die zuvor berechnete Impulsdauer Ton_LF abgelaufen ist, wird für die restliche Pausendauer Toff_LF der Schalter geöffnet. Zum Erreichen eines mittleren LED-Stroms 10 wird dabei die Impulsdauer Ton_LF abhängig von folgender Formel berechnet: $I0 = Iamp * {Ton}_{LF} / ({Ton}_{LF} + {Toff}_{LF})$
Indessen wurde erkannt, dass diese Art der Schaltersteuerung nachteilig sein kann. Die Steigung bzw. die Steilheit des LED-Stroms ist nämlich abhängig von dem Ripple der Busspannung Vbus und z.B. von der LED-Spannung, die wiederum von der Temperatur abhängt. Für einen bestimmten Dimmbefehl ist daher die Anzahl der hochfrequenten Impulse während der Impulsdauer Ton_LF variabel.
Weiterhin wurde erkannt, dass für ein festgesetztes Tastverhältnis des PWM-Signals LF_PWM der LED-Strom sich beim Ablauf der Impulsdauer Ton_LF in unterschiedlichen Phasen befinden kann. Zu diesem Zeitpunkt kann z.B. der LED-Strom den Maximalwerts Imax oder den Minimalwert Imin aufweisen. Alternativ kann der LED-Strom nach Ablauf der Impulsdauer Ton_LF mitten in einer Anstiegs- oder Abnahme-Phase sein. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Steigung des LED-Stroms nicht immer gleich bleibt.
Dies kann z.B. bei niedrigen Dimm-Werten zu unerwünschten Flicker-Erscheinungen führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schaltung zum Betrieb von LEDs vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen eine Betriebsschaltung für den Betrieb einer LED-Strecke, aufweisend:

- eine Schaltreglerschaltung zur Erzeugung eines Stroms für die LED-Strecke und aufweisend mindestens einen Schalter und eine als Energiespeicher dienende Spule, und
- eine Steuerschaltung zur Steuerung des Schalters mit einem Steuersignal, bei dem einem hochfrequenten Impulssignal ein im Vergleich dazu niederfrequentes Impulssignal überlagert wird,

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen ein Verfahren zum Betrieb einer LED-Strecke mittels einer Schaltreglerschaltung aufweisend mindestens einen Schalter und eine als Energiespeicher dienende Spule,
aufweisend die Steuerung des Schalters mit einem Steuersignal, bei dem einem hochfrequenten Impulssignal ein im Vergleich dazu niederfrequentes Impulssignal überlagert wird,
wobei das hochfrequente Impulssignal und das niederfrequente Impulssignal synchronisiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen eine integrierte Schaltung, vorzugsweise in Form eines Mikrocontrollers, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder eines digitalen Signalprozessors, zur Durchführung des Verfahrens.
Es wird also eine Synchronisation der hochfrequenten Taktung des Schalters und der niederfrequenten Modulation dieser hochfrequenten Taktung vorgeschlagen. Die niederfrequente Modulation wird somit abhängig von der hochfrequenten Taktung des Schalters durchgeführt.
Die abfallenden Flanken des niederfrequenten Impulssignals können mit dem hochfrequenten Impulssignal synchronisiert sein.
Wie bereits vorstehend ausgeführt, wird die Zeitdauer jedes Impulses des niederfrequenten Impulssignals derart gewählt, dass während dieser Zeitdauer das hochfrequente Impulssignal nur vollständige Impulse aufweist.
Mit anderen Worten soll eine abfallende Flanke eines niederfrequenten Impulses keinen hochfrequenten Impuls unterbrechen. Eine abfallende Flanke eines niederfrequenten Impulses darf also nur zu einem Zeitpunkt erzeugt werden, zu dem das hochfrequente Impulssignal keinen Impuls aufweist.
Die Überlagerung besteht insbesondere darin, dass z.B. zum Dimmen der LEDs die Steuereinheit der hochfrequenten Taktung des Schalters eine im Vergleich dazu niederfrequente Modulation überlagert.
Während jedes Impulses des niederfrequenten Impulssignals kann das hochfrequente Impulssignal dieselbe Anzahl an vollständigen Impulsen aufweisen.
Die Steuereinheit kann eine abfallende Flanke des niederfrequenten Impulses dann erzeugen, wenn erkannt wird, dass der Strom für die LED-Strecke abnimmt.
Die Steuereinheit kann eine abfallende Flanke des niederfrequenten Impulses dann erzeugen, wenn erkannt wird, dass der Strom für die LED-Strecke einen Minimalwert erreicht.
Die Anzahl der hochfrequenten Impulse während eines niederfrequenten Impulses kann unabhängig von einem Dimmgrad für die LED-Strecke sein.
Bei konstantem Dimmgrad für die LED-Strecke kann das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals konstant bleiben.
Zum Dimmen der LED-Strecke kann die Pausendauer zwischen zwei Impulsen des niederfrequenten Impulssignals einstellbar sein.
Die Pausendauer kann von der Impulsdauer und von einem gewünschten Dimmgrad abhängig sein, vorzugsweise gemäß folgender Formel: $tOFF/LF1 = tON/LF1 / dim + tON/LF1 .$
Die Anzahl der hochfrequenten Impulse kann während eines niederfrequenten Impulses abhängig von einem Dimmgrad für die LED-Strecke sein.
Bei variierendem Dimmgrad für die LED-Strecke kann das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals konstant bleiben.
Zum Dimmen der LED-Strecke kann die Anzahl der hochfrequenten Impulse während eines niederfrequenten Impulses einstellbar sein.
Zur Synchronisierung des hochfrequenten Impulssignals und des niederfrequenten Impulssignals kann die Zeitdauer eines hochfrequenten Impulssignals ermittelt werden, z.B. durch direkte Messung des hochfrequenten Impulssignals oder durch direkte oder indirekte Messung des Stroms für die LED-Strecke oder durch Abschätzung auf Basis des aktuellen Werts der Eingangsspannung.
Die Frequenz des niederfrequenten Impulssignals kann variierbar sein.
Die Steuerschaltung kann das hochfrequente Impulssignal derart erzeugen, dass wenn der Strom für die LED-Strecke einen Maximalwert erreicht, das hochfrequente Impulssignaleine eine negative Flanke zum Öffnen des Schalters aufweist, und wenn der Strom für die LED-Strecke einen Minimalwert erreicht, das hochfrequente Impulssignal eine positive Flanke zum Schließen des Schalters aufweist.
Bei eingeschaltetem Schalter kann in der Spule eine Energie aufgebaut werden, die sich bei ausgeschaltetem Schalter über die LED-Strecke entlädt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen eine Betriebsschaltung, vorzugsweise nach einem der obigen Aspekte, für den Betrieb einer LED-Strecke, aufweisend:

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen ein Verfahren, vorzugsweise nach einem der obigen Aspekte, zum Betrieb einer LED-Strecke mittels einer Schaltreglerschaltung aufweisend mindestens einen Schalter und eine als Energiespeicher dienende Spule, aufweisend die Steuerung des Schalters mit einem Steuersignal, bei dem einem hochfrequenten Impulssignal ein im Vergleich dazu niederfrequentes Impulssignal überlagert wird,
wobei zum Dimmen bzw. Herunterdimmen der LED-Strecke in einem höheren Dimmbereich das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) verringert wird, und zum Dimmen bzw. Herunterdimmen der LED-Strecke in einem niedrigeren Dimmbereich die Pausendauer (TOFF) des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) erhöht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen eine integrierte Schaltung, vorzugsweise in Form eines Mikrocontrollers, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder eines digitalen Signalprozessors, zur Durchführung des Verfahrens.
Der höhere Dimmbereich und der niedrigere Dimmbereich können angrenzen.
Im höheren Dimmbereich bleibt die Periode eines niederfrequenten Impulses vorzugsweise konstant und lediglich die Impulsdauer wird verringert.
Im niedrigeren Dimmbereich bleibt die Impulsdauer des niederfrequenten Impulssignals vorzugsweise konstant und lediglich die Pausendauer wird erhöht.
Die Impulsdauer, die an der unteren Grenze des höheren Dimmbereichs erreicht wird, kann im gesamten niedrigeren Dimmbereich konstant gehalten werden.
Die Periode des niederfrequenten Impulses, die an der oberen Grenze des niedrigeren Dimmbereichs erreicht wird, kann im gesamten höheren Dimmbereich konstant gehalten werden.
Die Steuerschaltung kann das hochfrequente Impulssignal derart erzeugen, dass wenn der Strom für die LED-Strecke einen Maximalwert erreicht, das hochfrequente Impulssignaleine eine negative Flanke zum Öffnen des Schalters aufweist, und wenn der Strom für die LED-Strecke einen Minimalwert erreicht, das hochfrequente Impulssignal eine positive Flanke zum Schließen des Schalters aufweist.
Bei eingeschaltetem Schalter kann in der Spule eine Energie aufgebaut werden, die sich bei ausgeschaltetem Schalter über die LED-Strecke entlädt.
Weitere Aspekte, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele und anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt Signalverläufe, wie sie sich bei einer Betriebsschaltung nach dem Stand der Technik einstellen,
2 zeigt eine Betriebsschalung für Leuchtdioden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3 zeigt eine erfindungsgemäße Abwandlung der Betriebsschalung von 2,
4 zeigt Signalverläufe, wie sie sich bei einer Betriebsschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einstellen,
5 zeigt Signalverläufe, wie sie sich bei einer Betriebsschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel einstellen,
6 zeigt den Verlauf des LED-Stroms, der Impulsdauer und der Frequenz des niederfrequenten Impulssignals gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
7 zeigt den Verlauf des LED-Stroms bei unterschiedlichen Dimmwerten gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.

In 2 ist schematisch eine Schaltung zum Betrieb von Leuchtdioden (LEDs) bzw. zum Betrieb einer LED-Strecke gezeigt.
Im dargestellten Beispiel umfasst die LED-Strecke zwei in Serie geschaltete LEDs. Indessen kann sich die Betriebsschaltung an die Art und die Anzahl der ebenfalls seriell verbundenen Leuchtdioden (LED) anpassen. Die Betriebsschaltung kann für lediglich eine LED eingesetzt werden. Alternativ können die LEDs auch parallel oder gemäß einer Seriell- und Parallelanordnung geschaltet sein. Die LEDs können OLEDs sein. Weiterhin kann es sich bspw. um monochromatische LEDs, Farbstoff-konvertierte weiße LEDs und/oder um RGB-LED-Module handeln.
Die Betriebsschaltung kann als Schaltregler bezeichnet werden, in dem die Stromversorgung der LED-Strecke mittels mindestens eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und mindestens eines Energiespeichers gewährleistet wird.
Eine Eingangsspannung bzw. Busspannung Vin wird der Betriebsschaltung zugeführt, wobei diese Eingangsspannung Vin eine gleichgerichtete Wechselspannung bzw. DC-Spannung sein kann. Diese gleichgerichtete Wechselspannung bzw. DC-Spannung kann eine vorzugsweise näherungsweise konstante Spannung aufweisend eine Restwelligkeit oder Ripple sein. Die Eingangsspannung Vin kann ebenfalls eine konstante Gleichspannung sein in Form z.B. einer Batteriespannung.
Die Betriebsschaltung der 2 ist als Buck Konverter oder Abwärtswandler ausgestaltet. Die Eingangsspannung Vin liegt an einer Serienschaltung eines Halbleiter-Leistungsschalter S1, wie beispielsweise eines MOSFETs, und einer Freilaufdiode D1 an. Vorzugsweise ist in Serie zum Schalter S1 und zur Freilaufdiode D1 noch einen Messwiderstand Rs zum Ermitteln des Stroms durch den Schalter S1 vorgesehen. Eine Serienschaltung bestehend aus einer Spule L1 und der LED-Strecke ist parallel zur Freilaufdiode D1 angeordnet. In parallel zur LED-Strecke kann ein Kondensator C1 geschaltet sein.
Im eingeschalteten Zustand des Schalters S1 fließt ein Strom durch die LED-Strecke und die Spule L1. Während dieser Einschaltphase steigt somit der Strom durch die Spule L1. Während einer darauffolgenden Freilaufphase d.h. im ausgeschalteten Zustand des Schalters S1 entlädt sich die in der Spule L1 gespeicherte Energie in Form eines Stroms durch die LED-Strecke.
Es ist eine Steuerschaltung SR vorgesehen, die als Stellgrösse der Regelung der LED-Leistung bzw. des LED-Stroms die Taktung des Schalters S1 in Form eines erfindungsgemäßen Signals vorgibt. Die Steuerschaltung SR kann als Steuer- und/oder Regelschaltung ausgestaltet sein.
Mittels des Messwiderstands RS erfasst die Steuerschaltung SR den Strom durch den Schalter S1. Diese Erfassung erfolgt im eingeschalteten Zustand des Schalters S1. Über einen Spannungsteiler R1, R2 kann die Steuerschaltung SR das Potential auf der potentialniedrigeren Seite der LED-Strecke erfassen. Ein weiterer Spannungsteiler R3, R4 ermöglicht die Erfassung der Eingangsspannung Vin.
3 zeigt eine Modifikation der Schaltung von 2 dahingehend, dass die Anordnung der Spule L1, der Freilaufdiode D1 sowie der Orientierung der LED-Strecke modifiziert ist. Die Betriebsschaltung der 3 ist als Boost Konverter oder Aufwärtswandler ausgestaltet.
Die vorliegende Erfindung lässt sich auch bei einer Ausgestaltung der Betriebsschaltung als Buck-Boost Konverter, auch Sperrwandler oder Inverter genannt, anwenden.
4 zeigt den Verlauf der Eingangsspannung Vin, des LED-Stroms ILED d.h. des Stroms durch die LED-Strecke, das niederfrequente Steuersignal ST_LF und das Steuersignal ST zum Ansteuern des Schalters S1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel Aspekt der Erfindung. Falls ein Kondensator C1 parallel zur LED-Strecke angeordnet ist, handelt es sich beim LED-Strom vorzugsweise um den Strom durch die Parallelschaltung von Kondensator C1 und LED-Strecke.
Das niederfrequente Steuersignal ST_LF weist eine erste Impulsperiodendauer mit einer Impulsdauer tON/LF1 und einer Pausendauer bzw. Ausschaltzeitdauer tOFF/LF1. Die nächste Impulsperiodendauer weist gleichermaßen eine Impulsdauer tON/LF2, gefolgt von einer Pausendauer. Die Dauer der Impulsperiodendauer ist in diesem Ausführungsbeispiel im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mehr konstant.
Während einer Impulsperiodendauer des niederfrequenten Steuersignals ST_LF wird der Schalter S1 alternierend ein- und ausgeschaltet. Beim ersten Einschalten des Schalters S1 während der Impulsdauer tON/LF1 steigt der LED-Strom ILED linear von Null an. Sobald der LED-Strom einen Maximalwert Imax erreicht, wird der Schalter S1 wieder ausgeschaltet. Danach erfolgt der zickzackförmige Stromverlauf des Stroms durch die LED-Strecke in dem der Schalter bei Erreichen eines Minimalwerts Imin bzw. des Maximalwerts Imax alternierend ein- und ausgeschaltet wird.
In 4 ist gezeigt, wie der LED-Strom während einer niederfrequenten Impulsperiodendauer zunächst von Null ansteigt, den Minimalwert Imin zum Zeitpunkt t1A erreicht, und noch weiter bis zum Maximalwert Imax ansteigt. Zum Zeitpunkt t1A+t1B, wenn der LED-Strom z.B. zum dritten Mal bis zum Minimalwert Imin absinkt, wird der niederfrequente Impuls beendet. Die Zeitdauer t1A+t1B entspricht der Impulsdauer tON/LF1.
Der LED-Strom sinkt dann weiter während einer Zeitdauer t1C bis zum Nullwert zurück. Erst nach einer weiteren Zeitdauer t1D steigt der LED-Strom wieder an. Die Zeitdauer t1C+t1D entspricht dabei die Ausschaltzeitdauer tOFF/LF1 des niederfrequenten Impulssignals.
Die gezeigte hochfrequente Impulsfolge des Steuersignals ST dient dazu, den LED-Strom um den Mittelwert Iamp = (Imax + Imin) / 2 zu regeln. Diesem hochfrequentem Impulssignal wird nun mit dem niederfrequenten Impulssignal ST_LF moduliert, so dass auch ein Dimmen der LED-Strecke möglich wird.
Das niederfrequente Impulssignal ST_LF ist mit dem hochfrequenten Impulssignal synchronisiert. Somit kann den eingangs erwähnten Flicker-Erscheinungen entgegengewirkt werden.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn von dem niederfrequenten Impulssignal ST_LF keine hochfrequente Impulse unterbrochen werden. In 4 wird dies durch die Angabe np = 3 gekennzeichnet: während der ersten Impulsperiodendauer tON/LF1 + tOFF/LF1 werden von der Steuereinheit SR drei komplette niederfrequente Impulse zum Ansteuern des Schalters ausgegeben.
Vorzugsweise hört der niederfrequente Impuls dann auf, wenn der LED-Strom sich in der absinkender Phase zwischen dem Maximalwert Imax und dem Minimalwert Imin befindet. Die Flicker-Erscheinungen können indessen insbesondere auftreten, wenn das niederfrequente Impulssignal ein Öffnen des Schalters in der Ansteigungs-Phase des LED-Stroms verursacht.
Der Messwiderstand RS kann zum Vergleichen des LED-Stroms mit dem Maximalwert Imax während der Einschaltzeitdauer des Schalters S1 dienen.
Das Erreichen des Minimalwerts Imin und des Maximalwerts Imax kann in bekannter Weise direkt oder indirekt ermittelt werden. Z.B. kann der LED-Strom direkt gemessen werden und mit den Werten Imin und Imax verglichen werden. Hierfür kann z.B. ein Messwiderstand (nicht gezeigt) in Serie zur LED-Strecke, oder gegebenenfalls in Serie zur Parallelschaltung aus Kondensator C1 und LED-Strecke, vorgesehen sein. Alternativ kann auch die Spule L1 mit einer Sekundärwicklung (nicht gezeigt) gekoppelt sein, so dass über die gemessene Spannung der Sekundärwicklung ein Erreichen des Minimal- bzw. Maximalwerts Imin, Imax ermittelt wird. Das Erreichen dieser Werte Imin, Imax kann auch durch einen Vergleich der Spannung an der LED-Strecke oder der Eingangsspannung Vin mit entsprechenden Referenzwerten erkannt werden.
Der Zeitdauer eines niederfrequenten Impulses kann entweder berechnet oder gemessen werden. Zum Erreichen einer vorgegebener Anzahl np an hochfrequenten Impulsen innerhalb eines niederfrequenten Impulses kann z.B. der LED-Strom in bekannter Weise gemessen werden. Sobald der gemessene LED-Strom in der absteigenden Phase np Mal den Minimalwert erreicht erfolgt eine negativen Flanke des niederfrequenten Impulssignals. Alternativ kann die Zeitdauer tON/LF1 auf Basis der gemessenen Eingangsspannung Vin ermittelt werden: ausgehend von der Eingangsspannung Vin kann auf die Steigung des LED-Stroms geschlossen werden und somit auf die Zeitdauer tON/LF1.
Alternativ kann auch die negative Flanke des niederfrequenten Impulses erzeugt werden, wenn durch Berechnung oder Messung ermittelt wird, dass der LED-Strom innerhalb des niederfrequenten Impulses np Mal den Maximalwert Imax erreicht hat.
Vorzugsweise ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein LED-Betrieb, bei dem innerhalb von jedem niederfrequenten Impuls dieselbe Anzahl an vollständigen hochfrequenten Impulsen gegeben ist. In 4 sind innerhalb des ersten und des zweiten niederfrequenten Impulses genau np = 3 hochfrequente Impulse vorhanden.
Vorzugsweise bleibt das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals ST_LF konstant. Die Pausendauer tOFF/LF1 ist daher von der Impulsdauer tON/LF1 und von einem gewünschten Dimmgrad dim abhängig: $tOFF/LF1 = tON/LF1/ dim + tON/LF1 .$
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Länge np der Impulspakete festgehalten auch bei unterschiedlichen Dimmleveln. Die Zeitdauer der niederfrequenten Impulspakete beträgt vorzugsweise ein vollständiges Vielfaches einer der Dauer der hochfrequenten Impulse. Die Dauer der hochfrequenten Impulse verändert sich indessen synchron zu der Schwankung der Busspannung.
Zum Dimmen wird nunmehr wie gesagt die Länge der niederfrequenten Impulse auf das ganzzahlige Vielfache der hochfrequenten Impulse festgehalten, so dass die Veränderung des Dimmlevels durch Verlängerung der Ausschaltzeitdauer tOFF/LF1 der niederfrequenten Impulse und somit durch Verringerung der niederfrequenten Frequenz erfolgt. Die Grenze der Verringerung der Frequenz liegt bei der für die Augen sichtbaren Flackerfrequenz. Wenn beispielsweise die Grundfrequenz für die niederfrequenten Impulse 500 Hz bis 1000 Hz beträgt, so kann diese Frequenz nur verringert werden auf einen Bereich von beispielsweise 100 Hz bis 200 Hz.
5 zeigt den Verlauf des LED-Stroms gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Die Zeitdauer tON1', tON1'' eines niederfrequenten Impulses, d.h. auch die Anzahl der hochfrequenten Impulse innerhalb dieses niederfrequenten Impulses, kann zum Dimmen der LED-Strecke verändert werden.
Die 5 zeigt eine spezielle Ausführungsform, in der für einen gewünschten Dimmpegel von 1% die Zeitdauer tON1' so gewählt ist, dass innerhalb eines niederfrequenten Impulses drei hochfrequente Impulse (np=3) von der Steuereinheit SR an den Schalter S1 abgegeben werden. Zum Erhöhen des Dimmpegels wird in diesem Ausführungsbeispiel die Anzahl der hochfrequenten Impulse innerhalb eines niederfrequenten Impulses erhöht. Auf 5 werden nunmehr sechs hochfrequente Impulse (np=6) innerhalb eines Impulspakets abgegeben, um z.B. einen Dimmpegel von 2% einzustellen. Entsprechend erhöht sich die Zeitdauer der niederfrequenten Impulse von tON1' auf tON1''.
Die Pausendauer bzw. Ausschaltzeitdauer tOFF1', tOFF1'' der niederfrequenten Impulse ergibt sich wiederum aus folgenden Formeln: $tOFF1' = tON1' / dim + tON1'$
$tOFF2' = tON2' / dim+tON2'$
wobei dim der gewünschte Dimmgrad darstellt.
Auch bei variierendem Dimmgrad bleibt vorzugsweise das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) konstant.
Durch diesen Aspekt kann also die Dauer der hochfrequenten Impulse verändert werden zum Dimmen, dies indessen nur inkrementell (und nicht kontinuierlich), wobei die Inkrementlänge eine vollständige Dauer eines hochfrequenten Impulses ist.
Da die Dauer des hochfrequenten Impulses sich laufend ändert zusammen mit der Schwankung der Eingangsspannung Vin, muss also in diesem Fall eine Information hinsichtlich der aktuellen hochfrequenten Impulslänge der niederfrequenten Modulationseinheit zugeführt werden.
Alternativ kann die aktuelle Zeitdauer der hochfrequenten Impulse auch indirekt ermittelt werden bzw. abgeschätzt werden durch Erfassung beispielsweise des aktuellen Werts der Eingangsspannung Vin.
Es kann also vermieden werden, dass die niederfrequenten Impulse die hochfrequenten Impulse mit relativ niedriger und somit sichtbarer Frequenz an unterschiedlichen Punkten abschneiden, was zu einem sichtbaren Flackern führen würde.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den oberen Dimmpegeln und in den unteren Dimmpegeln unterschiedlich gedimmt. Bei höheren Dimmpegeln wird die LED-Strecke durch eine Verringerung des niederfrequenten Tastverhältnisses gedimmt. Bei niedrigeren Dimmpegeln hingegen wird die Frequenz des niederfrequenten Impulssignals verringert.
6 zeigt einen beispielhaften Verlauf des LED-Stroms, der Impulsdauer und der Frequenz des niederfrequenten Impulssignals gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel. 7 zeigt indessen den Verlauf des LED-Stroms bei unterschiedlichen Dimmwerten gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
In einem höheren Dimmbereich von 100% bis zum Dimmwert D wird das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals verringert. Vorzugsweise wird dabei die Periodendauer eines niederfrequenten Impulses konstant gehalten und seine Impulsdauer verringert.
Vorzugsweise kann die Verringerung dieser Impulsdauer derart durchgeführt werden, dass entsprechend den obigen Ausführungsbeispielen während der Zeitdauer eines niederfrequenten Impulses das Steuersignal für den Schalter S1 nur vollständige hochfrequente Impulse aufweist.
Die Verringerung des Tastverhältnisses wird auch in 7 veranschaulicht. Um z.B. von 25% auf 3% herunterzudimmen, wird das Tastverhältnis entsprechend von 25% auf 3% verringert.
Bei niedrigeren Dimmpegeln hingegen, z.B. unter D%, wird die Frequenz des niederfrequenten Impulssignals verringert. Bei Erreichen des Mindestwerts D wird dann die Frequenz verringert.
Dies ist auch in 6 gezeigt, wo unterhalb vom Dimmpegel D die Impulsdauer TON beim Wert TONmin konstant bleibt und die Frequenz fLF des niederfrequenten Impulssignals gesenkt wird. Wie z.B. in 7 ersichtlich wird die Impulsdauer TON nicht weiter verringert, wenn die Mindest-Impulsdauer TONmin erreicht wird. Ausgehend vom Dimmwert D=3% wird zum Erreichen eines niedrigeren Dimmwerts die Ausschaltzeitdauer des niederfrequenten Impulssignals erhöht, wobei in 7 diese Erhöhung durch den Wert TOFFextra gekennzeichnet ist.
Es liegt vorzugsweise kein Mischbetrieb vor, sondern entweder nur echtes PWM-Dimmen - d.h. nur Verringerung des Tastverhältnisses des niederfrequenten Impulssignals - bzw. reines Dimmen über die Veränderung der Frequenz der niederfrequenten Impulse mit vorgegebener Minimaleinschaltzeitdauer TONmin.
Dieser Vorgehensweise ist dadurch verursacht, dass eine Verringerung des Tastverhältnisses des niederfrequenten Impulssignals technisch bedingt nur bis zu einem unteren Schwellenwert möglich ist. Ab diesem Schwellenwert D - und bis unter 1% bzw. bis weit unter 1% - soll also ein alternativer Dimmbetrieb über eine Veränderung der Frequenz vorgeschlagen werden.
Im Stand der Technik wird dagegen bei niedrigen Dimmwerten ein Amplituden-Dimmen durchgeführt, d.h. der LED-Strom verläuft zickzackförmig nicht mehr zwischen den Werten Imax und Imin sondern zwischen niedrigeren Grenzwerten Imax' und Imin'. Ein derartiges Amplituden-Dimmen kann aber zu einer unerwünschten Verschiebung des Farborts führen.
Ein Dimmen im unteren Dimmbereich über eine Veränderung der Frequenz der niederfrequenten Impulse ist insofern vorteilhaft, dass eine Verschiebung des Farborts verhindert wird.

Claims

Betriebsschaltung für den Betrieb einer LED-Strecke, aufweisend: - eine Schaltreglerschaltung zur Erzeugung eines Stroms für die LED-Strecke und aufweisend mindestens einen Schalter (S1) und eine als Energiespeicher dienende Spule (L1), und - eine Steuerschaltung (SR) zur Steuerung des Schalters (S1) mit einem Steuersignal (ST), bei dem einem hochfrequenten Impulssignal ein im Vergleich dazu niederfrequentes Impulssignal (ST_LF) überlagert wird, wobei das hochfrequente Impulssignal und das niederfrequente Impulssignal (ST_LF) synchronisiert sind und wobei die Zeitdauer (tON/LF1, tON/LF2) jedes Impulses des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) derart gewählt wird, dass während dieser Zeitdauer (tON/LF1, tON/LF2) das hochfrequente Impulssignal nur vollständige Impulse aufweist.
Betriebsschaltung nach Anspruch 1, wobei die abfallenden Flanken des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) mit dem hochfrequenten Impulssignal synchronisiert sind.
Betriebsschaltung nach Anspruch 1, wobei während jedes Impulses des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) das hochfrequente Impulssignal dieselbe Anzahl (np) an vollständigen Impulsen aufweist.
Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (SR) eine abfallende Flanke des niederfrequenten Impulses dann erzeugt, wenn erkannt wird, dass der Strom für die LED-Strecke abnimmt.
Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (SR) eine abfallende Flanke des niederfrequenten Impulses dann erzeugt, wenn erkannt wird, dass der Strom für die LED-Strecke einen Minimalwert (Imin) erreicht.
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anzahl (np) der hochfrequenten Impulse während eines niederfrequenten Impulses unabhängig von einem Dimmgrad (dim) für die LED-Strecke ist.
Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei bei konstantem Dimmgrad (dim) für die LED-Strecke das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) konstant bleibt.
Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zum Dimmen der LED-Strecke die Pausendauer (tOFF/LF1) zwischen zwei Impulsen des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) einstellbar ist.
Betriebsschaltung Anspruch 8, wobei die Pausendauer (tOFF/LF1) von der Impulsdauer (tON/LF1) und von einem gewünschten Dimmgrad (dim) abhängig ist, vorzugsweise gemäß folgender Formel: $tOFF/LF1 = tON/LF1 / dim + tON/LF 1.$
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anzahl (np) der hochfrequenten Impulse während eines niederfrequenten Impulses abhängig von einem Dimmgrad (dim) für die LED-Strecke ist.
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 10, wobei bei variierendem Dimmgrad (dim) für die LED-Strecke das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) konstant bleibt.
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 10 bis 11, wobei zum Dimmen der LED-Strecke die Anzahl (np) der hochfrequenten Impulse während eines niederfrequenten Impulses einstellbar ist.
Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zur Synchronisierung des hochfrequenten Impulssignals und des niederfrequenten Impulssignals (STLF) die Zeitdauer eines hochfrequenten Impulssignals ermittelt wird, z.B. durch direkte Messung des hochfrequenten Impulssignals oder durch direkte oder indirekte Messung des Stroms für die LED-Strecke oder durch Abschätzung auf Basis des aktuellen Wertes der Eingangsspannung (Vin).
Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Frequenz des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) variierbar ist.
Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (SR) das hochfrequente Impulssignal derart erzeugt, dass wenn der Strom für die LED-Strecke einen Maximalwert (Imax) erreicht, das hochfrequente Impulssignaleine eine negative Flanke zum Öffnen des Schalters S1 aufweist, und wenn der Strom für die LED-Strecke einen Minimalwert (Imin) erreicht, das hochfrequente Impulssignal eine positive Flanke zum Schließen des Schalters S1 aufweist.
Betriebsschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei bei eingeschaltetem Schalter (S1) in der Spule (L1) eine Energie aufgebaut wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1) über die LED-Strecke entlädt.
Verfahren zum Betrieb einer LED-Strecke mittels einer Schaltreglerschaltung aufweisend mindestens einen Schalter (S1) und eine als Energiespeicher dienende Spule (L1), aufweisend die Steuerung des Schalters (S1) mit einem Steuersignal (ST), bei dem einem hochfrequenten Impulssignal ein im Vergleich dazu niederfrequentes Impulssignal (ST_LF) überlagert wird, wobei das hochfrequente Impulssignal und das niederfrequente Impulssignal (ST_LF) synchronisiert werden.
Integrierte Schaltung, vorzugsweise in Form eines Mikrocontrollers, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder eines digitalen Signalprozessors, zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 17.
Betriebsschaltung, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 16, für den Betrieb einer LED-Strecke, aufweisend: - eine Schaltreglerschaltung zur Erzeugung eines Stroms für die LED-Strecke und aufweisend mindestens einen Schalter (S1) und eine als Energiespeicher dienende Spule (L1), und - eine Steuerschaltung (SR) zur Steuerung des Schalters (S1) mit einem Steuersignal (ST), bei dem einem hochfrequenten Impulssignal ein im Vergleich dazu niederfrequentes Impulssignal (ST_LF) überlagert wird, wobei zum Dimmen der LED-Strecke in einem höheren Dimmbereich das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) verringert wird, und zum Dimmen der LED-Strecke in einem niedrigeren Dimmbereich die Pausendauer (TOFF) des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) erhöht wird.
Betriebsschaltung nach Anspruch 19, wobei der höhere Dimmbereich und der niedrigere Dimmbereich angrenzen.
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, wobei im höheren Dimmbereich die Periode (TON+TOFF) eines niederfrequenten Impulses konstant bleibt und lediglich die Impulsdauer (TON) verringert wird.
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei im niedrigeren Dimmbereich die Impulsdauer (TONmin) des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) konstant bleibt und lediglich die Pausendauer (TOFF) erhöht wird.
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Impulsdauer (TONmin), die an der unteren Grenze (D) des höheren Dimmbereichs erreicht wird, im gesamten niedrigeren Dimmbereich konstant gehalten wird.
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die Periode (TONmin+TOFF) des niederfrequenten Impulses, die an der oberen Grenze (D) des niedrigeren Dimmbereichs erreicht wird, im gesamten höheren Dimmbereich konstant gehalten wird.
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei die Steuerschaltung (SR) das hochfrequente Impulssignal derart erzeugt, dass wenn der Strom für die LED-Strecke einen Maximalwert (Imax) erreicht, das hochfrequente Impulssignaleine eine negative Flanke zum Öffnen des Schalters S1 aufweist, und wenn der Strom für die LED-Strecke einen Minimalwert (Imin) erreicht, das hochfrequente Impulssignal eine positive Flanke zum Schließen des Schalters S1 aufweist.
Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei bei eingeschaltetem Schalter (S1) in der Spule (L1) eine Energie aufgebaut wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1) über die LED-Strecke entlädt.
Verfahren, vorzugsweise nach Anspruch 17, zum Betrieb einer LED-Strecke mittels einer Schaltreglerschaltung aufweisend mindestens einen Schalter (S1) und eine als Energiespeicher dienende Spule (L1), aufweisend die Steuerung des Schalters (S1) mit einem Steuersignal (ST), bei dem einem hochfrequenten Impulssignal ein im Vergleich dazu niederfrequentes Impulssignal (ST_LF) überlagert wird, wobei zum Dimmen der LED-Strecke in einem höheren Dimmbereich das Tastverhältnis des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) verringert wird, und zum Dimmen der LED-Strecke in einem niedrigeren Dimmbereich die Pausendauer (TOFF) des niederfrequenten Impulssignals (ST_LF) erhöht wird.
Integrierte Schaltung, vorzugsweise in Form eines Mikrocontrollers, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder eines digitalen Signalprozessors, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 27.