DE102013221033A1

DE102013221033A1 - Lichtquellenmodul, Netzgerät zum Betreiben eines derartigen Lichtquellenmoduls sowie Beleuchtungsanlage

Info

Publication number: DE102013221033A1
Application number: DE201310221033
Authority: DE
Inventors: Felix Franck; Markus Heckmann
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-04-16
Also published as: CN105659698A; US9560702B2; CN105659698B; US20160270167A1; WO2015055396A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtquellenmodul (LEM) umfassend mindestens eine LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c); eine Versorgungsleitung (LED+) zum Koppeln mit einer Stromquelle (GD, CG), wobei die LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c) eingangsseitig mit der Versorgungsleitung (LED+) gekoppelt ist; sowie eine Masseleitung (LED–) zum Koppeln mit einem Bezugspotential; wobei das Lichtquellenmodul (LEM) weiterhin umfasst eine Kommunikationsleitung (CL) zum Koppeln mit einer Regelvorrichtung (Contr) für den von der Stromquelle bereitzustellenden Strom; eine Temperaturrückregelungseinheit (TDU), die ausgelegt ist, einen temperaturabhängigen Stromanteil (ITDU) auf die Kommunikationsleitung zu legen; mindestens einen Strommesswiderstand (RM1, RM2), der unter Ausbildung eines Kopplungspunkts (N1; N2) seriell zwischen die mindestens eine LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c) und das Bezugspotential gekoppelt ist, wobei der Leitwert des Strommesswiderstands (RM1, RM2) proportional zum Strombedarf der LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c) ist; sowie mindestens einen Koppelwiderstand (RC1; RC2), der zwischen den Kopplungspunkt (N1; N2) und die Kommunikationsleitung (CL) gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft überdies ein Netzgerät (PSU) zum Betreiben mindestens eines derartigen Lichtquellenmoduls (LEM) sowie eine Beleuchtungsanlage, die ein Netzgerät (PSU) und mindestens ein derartiges Lichtquellenmodul (LEM) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtquellenmodul umfassend mindestens eine LED-Kaskade mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten LED, eine Versorgungsleitung zum Koppeln mit einer Stromquelle, wobei die LED-Kaskade eingangsseitig mit der Versorgungsleitung gekoppelt ist, sowie eine Masseleitung zum Koppeln mit einem Bezugspotential. Sie betrifft überdies ein entsprechendes Netzgerät zum Betreiben mindestens eines derartigen Lichtquellenmoduls sowie eine Beleuchtungsanlage aufweisend ein derartiges Netzteil sowie mindestens ein derartiges Lichtquellenmodul.
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Solid State Lighting, also auf die Allgemeinbeleuchtung hauptsächlich oder ausschließlich durch LED. Im Speziellen bezieht sie sich insbesondere auf ein selbst einstellendes Netzgerät für die Versorgung mindestens eines Lichtquellenmoduls.
Beleuchtungskomponenten, die auf Halbleiterlichtquellen wie beispielsweise LED basieren, bieten in vielen Anwendungsgebieten eine interessante Alternative zu traditionellen Leuchtstoff-, Hochdruckentladungs- oder Glühlampen. Prinzipbedingt haben LED nicht nur einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine hohe optische Effizienz, eine lange zu erwartende Lebensdauer und geringe Betriebskosten, sondern auch viele weitere Vorteile. In einigen Anwendungen kann eine LED-basierte Beleuchtungsanlage ein Netzgerät umfassen, das einen LED-Betriebsstrom für eine Mehrzahl von Lichtquellenmodulen, jedes wiederum mindestens eine LED beinhaltend, liefert. Beispielsweise kann ein Lichtquellenmodul einen Schaltungsträger, insbesondere eine gedruckte Schaltung oder ein Printed Circuit Board (PCB), aufweisen, auf dem die mindestens eine LED montiert ist. Solche Schaltungsträger können in Schienen einer Leuchte eingeschoben oder in Buchsen eines Hauptträgers eingesteckt sein, auf dem sich das Netzgerät befinden kann.
In verschiedenen Anwendungen bzw. Installationen einer LED-basierten Beleuchtungsanlage wird die Anzahl der nötigen LED oder Lichtquellenmodule jeweils unterschiedlich sein. Zum Beispiel wird die Anzahl der LED oder Lichtquellenmodule an die erforderliche Lichtabstrahlleistung einer bestimmten Installation anzupassen sein. Im Allgemeinen ist der Wert des LED-Betriebsstroms, der von einem Netzgerät geliefert wird, an die Anzahl der von diesem Netzgerät zu versorgenden LED oder Lichtquellenmodule anzupassen. Wenn ein einzelnes Netzgerät in einer Vielzahl von LED-basierten Beleuchtungsanlagen mit unterschiedlichen Anzahlen von LED oder Lichtquellenmodulen eingesetzt werden soll, muss das Netzgerät eine Vorrichtung zur Einstellung des Sollwerts des LED-Betriebsstroms beinhalten, welche den Betriebsstrombedarf an die unterschiedlichen Lichtquellenmodule entsprechend der unterschiedlichen Anzahl von Lichtquellen oder Typen von Lichtquellen, die sie enthalten, anpasst.
Derzeit wird die Anzahl von LED und Lichtquellenmodulen, die in einer bestimmten LED-basierten Beleuchtungsanlage enthalten sein sollen, zum Herstellungszeitpunkt dieser LED-Beleuchtungsanlage festgelegt. Wenn das gleiche Netzgerät in unterschiedlichen LED-Beleuchtungsanlagen mit unterschiedlicher Anzahl von Lichtquellenmodulen zum Einsatz kommen soll, dann muss das Netzgerät zum Herstellungszeitpunkt auf die vorgesehene LED-Beleuchtungsanlage hin programmiert werden, sodass der gelieferte LED-Betriebsstrom passend ist für die bestimmte Anzahl der Lichtquellenmodule, die in der vorgesehenen LED-Beleuchtungsanlage enthalten sind.
Sobald während der größeren Lebensdauer einer LED-basierten Beleuchtungsanlage ein Lichtquellenmodul mit geringerer Lebensdauer ausgewechselt werden muss, erwächst das dieser Erfindung eigentlich zugrunde liegende Problem: Der Fortschritt auf der Bauteilebene der LED ist derzeit so gravierend, dass ein typengleiches Lichtquellenmodul deutlich mehr Licht ausstrahlen oder für das gleiche ausgestrahlte Licht wesentlich weniger Strom erfordern wird, wenn es beispielsweise drei Jahre jünger ist als das Vergleichsmodul. Bei obiger Erörterung spielen also nicht nur die zum Herstellungszeitpunkt der Beleuchtungsanlage vorliegende Spezifikation, sondern auch der Zeitpunkt an sich, an dem in die Beleuchtungsanlage eingegriffen wird, eine wesentliche Rolle.
Stand der Technik
Dieses Problem ist mit der Einrichtung eines Datenaustausches zwischen Netzgerät und Lichtquellenmodul aufgegriffen worden. Datenaustausch bedeutet dabei, dass das Lichtquellenmodul einige Informationen an das Netzgerät überträgt, betreffend den Strombedarf des Moduls zur Erfüllung seiner optischen Spezifikation oder seine Arbeitstemperatur zwecks Absenkung des Werts des gelieferten Stroms bei Überschreitung eines gewissen Temperaturgrenzwerts. Es sind verschiedene Wege bekannt, diese Information zwischen dem Lichtquellenmodul und dem Netzgerät auszutauschen. Busse können zum Datenaustausch genutzt werden. Bekannt sind hier beispielsweise analoge Busse wie die 1 ... 10V-Schnittstelle oder digitale Busse wie DALI (Digital Addressable Lighting Interface). Ebenso bekannte Techniken sind einfache Widerstandsnetzwerke, die vom Netzgerät ausgemessen werden können und ihm den Strombedarf des gerade angeschlossenen Lichtquellenmoduls oder der gerade angeschlossenen Lichtquellenmodule übermitteln.
Die DE 100 51 528 A1 offenbart solch eine Schnittstelle, bei der ein spezieller Widerstand, ein so genannter Stromsetzwiderstand, zwischen einer dritten Leitung und der negativen Versorgungsleitung geschaltet ist. Wenn mehrere Lichtquellenmodule an ein einzelnes Netzgerät angeschlossen sind, sind die Widerstände in Serie oder parallel zueinander verbunden, und auf diese Weise wird ein Summensignal an das Netzgerät zurückgegeben, um den Gesamtstrombedarf zu definieren. Die deutsche Patentanmeldung 10 2011 087 658.8 offenbart ebenso Widerstände zum Definieren des Strombedarfs jedes einzelnen Lichtquellenmoduls, also modulspezifische Stromsetzwiderstände.
Die Buslösungen haben den Nachteil der zwei zusätzlich erforderlichen Verbindungsleitungen. Die Widerstandslösungen benötigen nur eine zusätzliche Verbindungsleitung, aber das Bewerten des Widerstandsnetzwerks und die daraus folgende Einstellung des Stromwerts können sehr kompliziert werden.
Seit vollständige Beleuchtungssysteme aus Netzgerät und Lichtquellenmodul(en) auf dem Markt erschienen sind, versuchen verschiedene Firmen einen gemeinsamen Weg einzuschlagen, die Kommunikation zwischen den zwei Bestandteilen obiger Systeme in Gang zu bringen; ebenso sind für kompliziertere High-End-Systeme einige digitale Protokolle in Benutzung, jedoch ist letztere Technologie nicht der Hintergrund der vorliegenden Erfindung und muss gesondert behandelt werden.
Die Firma Osram beispielsweise hat bereits eine Schnittstelle vorgeschlagen, die auch in der Lage ist, eine Hilfsleistung an eine aktive Schaltung zur Temperaturrückregelung auf einem Lichtquellenmodul zu liefern. In diesem Schnittstellentyp formt ein Stromsetzwiderstand auf dem Lichtquellenmodul in Verbindung mit einem Pullup-Widerstand im Netzgerät einen Spannungsteiler mit dem Zweck, eine Mittelpunktsspannung zu bilden, die den Ausgangsstrom des Netzgeräts definiert. Ein Operationsverstärker auf dem Lichtquellenmodul beginnt, diese Mittelpunktsspannung und damit den gelieferten Betriebsstrom zu begrenzen, sobald das Modul überhitzt.
Die Firma Philips hat eine andere Schnittstelle vorgeschlagen, in der eine Signalleitung mit dem Stromsetzwiderstand und eine andere mit einem temperaturempfindlichen Widerstand verbunden sind, und bei der die Temperaturrückregelung vom Netzteil selbst vorgenommen wird, ohne dabei irgendein aktives Bauteil auf einem Lichtquellenmodul zu benötigen.
Beide letztgenannten Schnittstellen benötigen eine dritte Extraleitung für die gemeinsame Signalmasse-Rückführung und nutzen eine vom Stromsetzwiderstand auf dem Lichtquellenmodul erzeugte Spannung zur Einstellung des Betriebsstromsollwerts in der Weise, dass der Betriebsstrom umso höher eingestellt wird, je höher die Spannung über dem Stromsetzwiderstand oder über den Stromsetzwiderständen ist.
Kürzlich hat die Firma Osram eine leicht abgewandelte Schnittstelle vorgestellt, die auf dem oben bereits erwähnten 1 ... 10V-Bus basiert, der jedoch durch eine Präzisionsstromquelle im Netzgerät abgewandelt ist, die es ermöglicht, mit nur einem einfachen Stromsetzwiderstand pro Lichtquellenmodul eine präzise Betriebsstromsollwert-Einstellung zu erreichen. Eine weitere Abwandlung dieser Schnittstelle wiederum besteht darin, die Stromsetzwiderstände auf den Lichtquellenmodulen durch Zenerdioden zu ersetzen.
Derzeit kristallisiert sich eine neue Anforderung am Markt heraus: Die Möglichkeit der Parallelschaltung verschiedener Module und ihre gemeinsame Versorgung durch ein- und dasselbe Netzgerät. Der von diesem Netzgerät gelieferte Betriebsstrom muss dabei der Summe der Nominalstromwerte aller momentan daran angeschlossenen Lichtquellenmodule entsprechen, und die Fähigkeit zur Temperaturrückregelung muss auch bei Multi-Modul-Anordnungen erhalten bleiben. Ein Thermo-Rückregelungssignal auf einer Datenleitung sollte schließlich sogar dominant gegenüber einem Summenstrom-Setzsignal sein.
Gleichwohl ist es notwendig, die Beleuchtungsanlagen einfacher zu gestalten, was derzeit zur Reduktion der Anzahl der zusätzlichen Datenleitungen führt. Busbasierte Schnittstellen benötigen mindestens vier Leitungen, zwei für den Lichtquellenmodul-Betriebsstrom und mindestens zwei für den Bus.
Neue Eigenschaften zur Erfüllung der Aufgaben sind angedacht:

– Mehrere Module sollen parallel verbindbar und von ein- und demselben Netzgerät unter Nutzung derselben Schnittstelle versorgbar sein. Dabei werden die einzelnen Module als untereinander gleich angesehen, oder zumindest als solche mit untereinander gleicher Betriebsspannung.
– Die Schnittstelle zur Betriebsstrom-Einstellung sollte eine reduzierte Anzahl an Leitungen aufweisen und sollte aufgrund der Kostenthematik so einfach wie möglich sein, insbesondere auf der Seite der Lichtquellenmodule.

Alle bisher vorgestellten und bekannten Schnittstellen sind nicht in der Lage, Mehrfachverbindungen von Lichtquellenmodulen korrekt zu unterstützen. Auch sind die Auswerteschaltungen für die Schnittstellen aufwändig herzustellen.
In diesem Zusammenhang hat die Anmelderin beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2012 224 348.8 , Anmeldedatum 21.12.2012, ein Netzteil und ein Lichtquellenmodul vorgestellt, welche eine einfache Schnittstelle zur Einstellung des an das Lichtquellenmodul anzulegenden Stromes aufweisen. Da die genannte Druckschrift noch nicht vorveröffentlicht ist, wird im Folgenden zunächst zur Herleitung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung auf die in der genannten Patentanmeldung dargelegten Grundlagen Bezug genommen. Die im Anhang dargestellten 1 bis 7 sowie die zugehörige Beschreibung entstammen der genannten Patentanmeldung. Der Übersichtlichkeit halber werden die entsprechenden digitalen Ausführungen lediglich durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.
Das hinter der in der DE 10 2012 224 348.8 vorgestellten Erfindung liegende Konzept ist immer eine Dreileitungsschnittstelle bzw. eine „analoge Ein-Draht-Schnittstelle”, an der ein Lichtquellenmodul oder mehrere Lichtquellemodule parallel geschaltet und mit einem einzigen Netzgerät verbunden sein können, und die momentanen Erfordernisse jedes Lichtquellemoduls in Echtzeit erfüllt werden. Die vorgestellten Schaltungsanordnungen verwenden dabei einen Setzwiderstand, um einen Stromwert zu definieren. Zur Messung dieses Setzwiderstands werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen beschrieben.
1 zeigt das generelle Konzept der Setzwiderstände für die Betriebsstromnennwerte. Es sind drei Lichtquellenmodule LEM gezeigt, die an einem einzigen Netzgerät PSU angeschlossen sind. Die Verbindung besteht aus drei Leitungen: einer Versorgungsleitung LED+, einer gemeinsamen Masseleitung LED– und einer Kommunikationsleitung CL. Jedes Lichtquellenmodul LEM enthält mindestens eine LED-Kette. Die LED-Kette umfasst eine Vielzahl von LED. Eine Vielzahl im Sinne der Erfindung bedeutet, dass mindestens zwei LED in Serie verbunden sind. Jedes Lichtquellenmodul oder jede LED-Kette enthält einen individuell zugeordneten Setzwiderstand zum Definieren des jeweils gültigen Betriebsstromnennwerts, den so genannten Stromsetzwiderstand Rsetx. Der Stromsetzwiderstand Rset1 koppelt oder die Stromsetzwiderstände Rset1, Rset2, Rsetm koppeln die gemeinsame Masseleitung LED– an die Kommunikationsleitung CL außerhalb eines Netzgeräts PSU. Dies führt zu einer Parallelschaltung aus allen im System vorhandenen Stromsetzwiderständen Rset1, Rset2, Rsetm, sodass das Netzgerät PSU den Ersatzwiderstand Rset dieser Parallelschaltung misst. Das Konzept besagt, dass das Netzgerät PSU keine Spannung liest wie im Stand der Technik, sondern einen Strom als Stellvertreter für den Leitwert dieses Ersatzwiderstands. Dann wird ein inverses Gesetz auf den Wert des Ersatzwiderstands angewandt, um den Wert des vom Netzgerät zu liefernden LED-Betriebsstroms vorzugeben. Das Gesetz ist wie folgt: Iout = Kv / Rset.
Kv hat die Dimension einer Spannung. Rset ist der Wert, der durch einen Stromsetzwiderstand Rset1 oder durch die Parallelschaltung mehrerer Stromsetzwiderstände Rset1, Rset2, Rsetm gebildet wird. Dadurch ist der Wert des vom Netzgerät gelieferten Betriebsstroms umgekehrt proportional zum Stromsetzwiderstand Rset1 oder Ersatzwiderstand Rset von dem mindestens einen Lichtquellenmodul, d.h. je niederohmiger der Ersatzwiderstand, desto höher der Ausgangsstrom des Netzgeräts PSU. Die Anforderung an den Wert des Betriebsstroms, letztendlich der Summe der Stromnennwerte jedes einzelnen Lichtquellenmoduls zu entsprechen, wird durch das bekannte ohmsche Gesetz an sich erfüllt.
2 zeigt ein Konzeptschaltbild einer Schnittstelle mit der Fähigkeit zur Thermorückregelung. Eine sehr einfache Thermorückregelung wird durch das Platzieren eines PTC-Elements in Serie zu Rset erreicht.
Sobald die Temperatur des Lichtquellenmoduls LEM ansteigt, nimmt auch der Widerstandswert des PTCs zu und führt zu einem kleineren Stromnennwert für dieses Modul. Der Nachteil solch eines Arrangements ist, dass es nicht angemessen für eine Mehrfachverbindung von Lichtquellenmodulen sein wird, weil der Effekt eines erhitzten, allein stehenden PTCs vom Leitwert der parallel geschalteten Stromsetzwiderstände Rset nur den Beitrag seines zugehörigen erhitzten Moduls wegnehmen würde, was für eine effektive Reduzierung der Temperatur des betroffenen Lichtquellenmoduls nicht ausreichend ist. Die parallel geschalteten kälteren Stromsetzwiderstände wirken nämlich der temperaturbedingten Widerstandserhöhung eines einzelnen Stromsetzwiderstands entgegen. Der Dominanzcharakter der Temperaturrückregelung ist damit nicht gewährleistet.
Dennoch könnte solch eine Lösung für sehr kostengünstige Anwendungen verwendet werden, wenn eine Teilstromreduktion im Falle eines Temperaturanstiegs noch akzeptabel ist, beispielsweise bei wenigen von einem Netzgerät versorgten Lichtquellenmodulen oder bei guter thermischer Kopplung der Lichtquellenmodule untereinander. Weiterhin hat ein einfaches thermosensitives Element in Serie zum Stromsetzwiderstand den Nachteil, seinen Leitwert und damit den Wert für den Strom des Lichtquellenmoduls kontinuierlich, quasi linear oder allmählich, zu reduzieren, ohne einen genauen Ausgangspunkt für die Thermorückregelung zu definieren, selbst wenn einige PTC-Elemente ein sehr steiles Verhalten um ihre Nenn-Trigger-Temperatur herum zeigen. Also würde das „nominale” Stromsetzen von einer „parasitären” Wirkung des Rückregelungselements korrumpiert werden.
3 zeigt das Konzept der Dreileitungsschnittstelle mit einer Thermorückregelungseinheit TDU auf dem Lichtquellenmodul. Diesem Konzept liegt ein anderer Ansatz zugrunde, nämlich auf dem Lichtquellenmodul eine Stromquelle für die Thermorückregelungseinheit TDU vorzusehen. Diese Stromquelle ist mittels eines geeignet verschalteten thermosensitiven Elements temperaturgesteuert und wird, um zusätzliche Leitungen für die Schnittstelle zu vermeiden, entweder direkt von der Versorgungsleitung LED+ oder von einem Mittenabgriff aus der mindestens einen LED-Kette des betrachteten Lichtquellenmoduls mit der nötigen Hilfsenergie versorgt. Die Stromquelle umfasst einen Verstärker und einen temperaturempfindlichen Widerstand, durch den ein Eingangsstrom für den Verstärker fließt, der diesen Eingangsstrom zum Strom I_TDU der Stromquelle verstärkt. Die Stromquelle weist eine Ansprechschwelle auf, die jede Generierung eines Stroms I_TDU hemmt, solange eine gewisse Übertemperatur des Lichtquellenmoduls nicht erreicht ist. Dadurch ist eine Zunahme des verstärkten Stroms mit der Temperatur (Steigung von I_TDU) steil genug, damit es einem Gesamtsystem bestehend aus einem Netzgerät und mehreren thermisch unabhängigen Lichtquellenmodulen erfolgreich gelingt, die Maximaltemperatur eines einzelnen überhitzten Lichtquellenmoduls zu begrenzen, ohne dabei aufgrund Wärmeübergangszeitverschiebungen Instabilitäten auszulösen.
Die Stromquelle für den Strom I_TDU ist in der Lage, das vom Ersatzwiderstandswert Rset aller parallel geschalteten Stromsetzwiderstände gebildete Signal völlig außer Kraft zu setzen: auf solch eine Weise kann sie das Gesamtsystem und insbesondere das Lichtquellenmodul, auf dem sie integriert ist, sogar im Falle einer Lichtquellenmodul-Mehrfachverbindung bei gleichzeitiger stark konzentrierter Überhitzung sicher schützen.
Mit der oben beschriebenen temperaturabhängigen Stromquelle ergibt sich ein weiteres Problem. Es ist notwendig, den Widerstand Rset des Moduls Nr. x unabhängig von der tatsächlichen Temperatur des Moduls x zu messen, mithin unabhängig von dem von der Stromquelle gelieferten Strom. Es muss festgelegt werden, wie der Widerstand Rset gemessen wird, um die Auswirkung der Stromquelle voraussagbar zu machen. In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird eine feste Spannungsquelle Vk verwendet, um den Widerstandswert dadurch zu messen, dass die Schaltungsanordnung die Spannung der Spannungsquelle über dem Stromsetzwiderstand Rset (oder der Parallelschaltung mehrerer Stromsetzwiderstände Rset) anlegt, und den dadurch verursachten Stromfluss liest. Die Spannung der Spannungsquelle wird also an der netzgeräteseitigen Klemme für die Kommunikationsleitung CL ausgegeben. Dies wiederum führt die Temperaturrückregelungseinheit TDU in direkte Interaktion mit dem Strom, der mittels Vk/Rset definiert ist, und löst die schließlich gestellte Aufgabe der dominanten Temperaturrückregelung.
4a zeigt eine erste Variante des Lichtquellenmoduls, das die Schnittstelle mit nur einem Bipolartransistor, einem NTC-Element und einigen hinzugefügten Widerständen bereitstellt. Die Schaltung enthält eine Spannungsquelle V1, die von der Versorgungsleitung LED+ des Lichtquellenmoduls abgeleitet ist.
LED haben eine ziemlich stabile Flussspannung, sodass diese als ausreichend guter Spannungsquellenersatz dienen kann. Abhängig von der für die Temperaturrückregelungseinheit TDU erforderlichen Speisespannung kann die Spannungsquelle V1, immer auf die gemeinsame Masseleitung LED– bezogen, an einen Abgriff zwischen zwei Abschnitten der Vielzahl von in Serie geschalteten LED angeschlossen sein. Dies bedeutet, dass die Spannung V1 auf eine Weise eingestellt werden kann, wie es einem Vielfachen der Flussspannung einer einzelnen LED entspricht. Parallel zu dieser Spannung V1 befindet sich eine Reihenschaltung aus dem NTC und einem Schwellenwiderstand Rthr. Die Basis eines NPN-Bipolartransistors (BJTs) Q1 ist mit dem Knoten zwischen dem NTC und einem Widerstand Rthr verbunden. Der Kollektor von Q1 ist mit der Spannung V1 verbunden. Der Emitter von Q1 ist mit der Kommunikationsleitung CL über einen Emitterwiderstand Rtg gekoppelt. All diese bisher beschriebenen Bestandteile der 4a formen die Thermorückregelungseinheit TDU. Der mindestens eine Stromsetzwiderstand Rset ist zwischen die Kommunikationsleitung CL und die gemeinsame Masseleitung LED– geschaltet.
In dieser Schaltung wird das Emitterpotential von Q1 auf eine Spannung (hier Vk), die vom Netzgerät PSU vorgegeben ist, angehoben, wodurch die Schwelle realisiert wird, unter der kein Strom I_TDU in die Kommunikationsleitung CL injiziert wird. Wenn die Temperatur ansteigt, beginnt der NTC das Basispotential von Q1 anzuheben, bis der NPN-Transistor Q1 in den aktiven Bereich gekommen ist. Ab jetzt definiert der Emitterwiderstand Rtg die Verstärkung der Thermorückregelungseinheit TDU und damit die Zunahme des injizierten Stroms I_TDU über die Zunahme der Temperatur.
Bezogen auf die Spannungen V1 und Vk bestimmen der Widerstand Rthr und der Widerstandswert des NTCs bei der als Auslöseschwelle für die TDU spezifizierten Temperatur den Einsatzpunkt für die Temperaturrückregelung. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist die erzielbare gute Linearität des Stroms I_TDU über der Temperatur.
Einer der interessantesten Vorteile dieser Schaltungsanordnung, neben der Einfachheit der Realisierung auf Seiten des Lichtquellenmoduls, ist ihre Eignung, durch Einstellung der gewünschten Genauigkeiten und Merkmale allein durch entsprechende Schaltkreiskomplexität der netzgeräteseitigen Schnittstelle in Systemen unterschiedlicher Qualitätsstufen anwendbar zu sein. Mit anderen Worten ist es möglich, die netzgeräteseitige Leseschnittstelle entsprechend der erforderlichen Genauigkeit und/oder weiterer nötiger Merkmale auszubauen.
4b zeigt als zweite Ausführungsform der Schnittstelle auf Seiten des Lichtquellenmoduls LEM eine komplementäre Realisierung. Hier wird ein PNP-Bipolartransistor Q2 zusammen mit einem PTC verwendet. Ein PTC ist ein temperaturempfindlicher Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Wie in 4a ist die Spannung V1 entweder von der kompletten Anzahl der in Serie geschalteten LED oder von einem Teil derselben abgeleitet. Im Gegensatz zu der Variante von 4a bildet der Kollektor von Q2 den Stromquellenanschluss mit dem Strom I_TDU, der mit CL verbunden ist. Auf diese Weise ist die Thermorückregelungsschwelle nicht mehr abhängig von Vk, sondern nur noch von der gut reproduzierbaren Spannung V1 sowie von den Werten des Spannungsteilers, geformt durch den temperaturempfindlichen Widerstandswert des PTCs und den Schwellenwiderstand Rthr. Wie in 4a bestimmt der Emitterwiderstand Rtg die Verstärkung der Thermorückregelungseinheit TDU.
Es bedarf keiner weiteren Figur, um zu erklären, dass bei Vertauschen der Reihenfolge der Elemente in dem Spannungsteiler, der die Einsatzschwellentemperatur definiert, jeweils der gemäß 4a oder 4b komplementäre Bipolartransistor zum Einsatz kommt. Besonders interessant ist die Kombination aus an V1 gekoppeltem PNP-Transistor in Verbindung mit einem NTC, der mit der Basis des Transistors und der gemeinsamen Masseleitung LED– verbunden ist.
Wie sich der Darstellung in 5 entnehmen lässt, dient ein erster Regelkreis RK1 zur Bereitstellung des Stromsollwerts in Form der Spannung V_out. Dabei wird zur Einstellung der Spannung V_out eine Strominformation in Form des Stroms I_CL ausgewertet, die sich in Abhängigkeit des Widerstands R_set ergibt. Ein zweiter, mit RK2 bezeichneter und nicht im Detail dargestellter Regelkreis dient zur Regelung des Stromistwerts I_out, wobei zu diesem Zweck die über einem Messwiderstand R_meß abfallende Spannung V_meß mit der Spannung V_out verglichen wird. Ein typischer Wert für I_out ist beispielsweise 500 mA, während der Messwiderstand R_meß beispielsweise 2 betragen kann. 5 zeigt eine sehr einfache Variante der Schaltungsanordnung der Schnittstelle für einfachere Netzgeräte PSU, bei denen keine hohe Genauigkeit erforderlich ist.
Aufgrund des Erfordernisses von möglichst wenigen Verbindungsleitungen und des Konzepts einer gemeinsamen Masseleitung LED– ergibt sich das Problem des Spannungsabfalls auf dieser gemeinsamen Masseleitung, verursacht durch den Betriebsstrom des mindestens einen Lichtquellenmoduls. Die Ausführung übernimmt eine sehr einfache Schaltung basierend auf einem einzelnen Operationsverstärker ohne jeden Ausgleich eines Spannungsversatzes auf der gemeinsamen Masseleitung aufgrund des Lichtquellenmodulstroms. Besagter einziger Operationsverstärker OpAmp der Netzgeräteschnittstelle ist an seinem invertierenden Eingang mit der Kommunikationsleitung CL und an seinem nicht-invertierenden Eingang mit der schon bekannten Spannung V_k verbunden, die wegen ihres direkten Bezugs auf die gemeinsame Masseleitung LED– die Referenz für die Schnittstellenschaltung des Netzgeräts PSU bildet. Der Verstärkerausgang ist über den Strommesswiderstand R_fb mit dem invertierenden Eingang verbunden, wodurch die obligatorische Gegenkopplung des Operationsverstärkers erreicht ist. Sein Verhalten, die Potentiale seiner beiden Eingänge einander angleichen zu wollen, erzeugt die Referenzspannung V_k auf der Kommunikationsleitung CL. Weil seine beiden Eingänge sehr hochohmig sind, fließen dort praktisch keine Ströme. Daher ist der Strom durch R_fb identisch mit dem Strom I_CL, der aus dem Anschluss des Netzgeräts für die Kommunikationsleitung CL herauskommt, und der nur über R_set1 bzw. R_set und über die gemeinsame Masseleitung LED- seinen Weg zurück zum Netzgerät finden kann. Dieser Strom wird mittels R_fb gemessen und generiert ein internes Messsignal V_out, dessen Wert der Spannung V_k entspricht, erhöht um den Messstrom I_CL multipliziert mit dem Strommesswiderstand R_fb. Weil V_k bekannt ist, ist mit I_CL auch der Wert von R_set1 bzw. R_set bekannt. Deswegen handelt es sich um einen (einfachen, proportional invertierenden) Regelkreis RK1, weil die Schnittstellen-Referenzspannung V_k nicht von gleichnamiger Spannungsquelle direkt, sondern vom Ausgang des Regelverstärkers OpAmp erzeugt wird. Quasi „unterwegs” entsteht dabei die den Gesamt-Strombedarfs-Sollwert repräsentierende Ausgangsspannung V_out. Dieses Messsignal V_out dient als Eingangssignal für den zweiten Regelkreis RK2, der Dynamik und Fehler des Leistungsteils CG kompensiert und den LED-Betriebsstrom I_out einstellt und regelt, der vom Leistungsteil CG an den Ausgang des Netzgeräts zu liefern ist. Der Ausgang des Netzgeräts ist mit LED+ und der gemeinsamen Masseleitung LED– verbunden, also mit den Versorgungsleitungen des mindestens einen Lichtquellenmoduls LEM.
Der Messfehler aufgrund des Spannungsabfalls auf LED-, verursacht durch den Betriebsstrom des mindestens einen Lichtquellenmoduls, kann durch Wählen eines adäquaten Werts für V_k auf einen für die jeweilige Anwendung geeigneten Wert reduziert werden. In einer beispielhaften Variante wird der maximale Messfehler auf der Masseleitung auf 50 mV festgelegt. Dies entspricht einem Strom von 1 A auf einer 50-mΩ-Verbindung. Diese Festlegung des Messfehlers ergibt 5V als Kleinstwert für die Spannung V_k, damit V_out einen durch den Spannungsabfall verursachten Fehler unter 1% hat.
Um eine bessere Genauigkeit zu erreichen, können andere Kompensationstechniken gegen den Spannungsabfall auf der gemeinsamen Masseleitung angewandt werden. Eine Technik ist das Abschalten des Betriebsstroms für das mindestens eine Lichtquellenmodul vor dem Ausmessen von R_set. Dieses Ausmessen kann beim Einschalten des Gesamtsystems durch eine Freigabeverzögerung des Betriebsstroms durchgeführt werden.
Zu beachten ist, dass bei Abschaltung der Kette von Lichtquellenmodulen durch Entfernen der Versorgung auf der Versorgungsleitung LED+ der aktuelle Stromlevel auf der Kommunikationsleitung CL nicht vom Temperatursignal beeinflusst wird. Dies ist kein Nachteil, weil diese Information nicht erforderlich ist, wenn die Lichtquellenmodule völlig ausgeschaltet sind; vielmehr ist es ein Weg, den Wert von Rset nicht nur mit einer höheren Genauigkeit, sondern auch ohne jede Abweichung durch mögliche Überhitzung zu lesen. Das Auslesen geschieht also ohne jede durch die jeweilige Lichtquellenmodultemperatur verursachte Abweichung.
Die reine Temperaturinformation hingegen ist verfügbar durch einfaches Trennen der Vergleichsspannung Vk vom nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OpAmp und durch Verbindung dieses Eingangs mit der gemeinsamen Masseleitung. Dadurch wird die Spannung auf der Kommunikationsleitung CL annähernd zu null, und der Strom in CL somit unabhängig vom Wert von R_set. Damit ist der Strom in CL nur noch eine Funktion der Lichtquellenmodultemperatur. Im Falle von Mehrfachverbindungen, also mehreren angeschlossenen Modulen, ist der Strom eine Funktion des Moduls mit der höchsten Temperatur. Dies versetzt das die Lichtquellenmodule betreibende Netzgerät in die Lage, den Betriebsstrom zu diesen Modulen von vornherein zu senken und die aktuelle Arbeitstemperatur der Lichtquellenmodule zu bestimmen, sogar dann, wenn es nicht überhitzt ist. Für eine hohe Messgenauigkeit der Temperatur im eingeschwungenen Betrieb der Lichtquellenmodule ist es von Vorteil, wenn R_set bekannt ist.
Ein weiteres, hier noch nicht beschriebenes Problem hat die Anmelderin in der ebenfalls noch nicht vorveröffentlichten DE 10 2012 224 349.6 , Anmeldedatum ebenfalls 21.12.2012, gelöst. Im allgemeinen geht es dort darum, die bei der Verarbeitung einer Strominformation anhand einer ausgegebenen Spannung im Inneren eines Netzgeräts immer auftretenden Spannungsversätze [= Offset-Spannungen] oder Impedanzanpassungen zu verarbeiten. Insbesondere problematisch ist die aus 5 ersichtliche Ausgangsstrom-Messspannung U_meß, durch die die Bezugsmasse in eine „höhere Hälfte” und eine „tiefere Hälfte” zerteilt wird. Ist der Fußpunkt von V_k wie in 5 gezeigt mit der „höheren Hälfte” verbunden, arbeitet der erste Regelkreis RK1 zur Sollwertermittlung zwar fehlerfrei, aber der zweite Regelkreis RK2 zum Regeln des LED-Betriebsstroms I_out muss entweder negative Istwertsignale verarbeiten können oder mit zweierlei Bezugspotenzialen zurecht kommen. Wird V_k hingegen – abweichend von 5 – auf der anderen Seite von R_meß, also an der „tieferen Hälfte” der Bezugsmasse angeschlossen, sind die Bezugspotenziale für beide Regelkreise zwar gleich, aber die Sollwertbildung wird durch den Messwert V_meß des LED-Ausgangsstroms verfälscht. Da beide Probleme bei den hier vorgeschlagenen Lösungen prinzipbedingt nicht auftreten, kann hier auf eine ausführliche Zitierung der DE 10 2012 224 349.6 verzichtet werden.
6 zeigt ein temperaturabhängiges Kennlinienfeld des Netzgeräts. Die Kurvenschar zeigt die interne Steuerspannung Vout des Netzgeräts über der Temperatur des mindestens einen Lichtquellenmoduls. Die einzelnen Kurven beziehen sich auf den Strombedarf des gegenwärtig angeschlossenen, mindestens einen Lichtquellenmoduls. Gut ersichtlich setzt die Thermorückregelung bei einer Temperatur von etwa 93°C ein, bis bei etwa 100°C bis 104°C die Versorgung mit dem Betriebsstrom vollständig abgeschaltet ist.
Die Funktion der Schnittstelle wird im Folgenden anhand eines praktischen Beispiels erklärt. Wie in der 6 gesehen werden kann, führt ein internes Messsignal Vout von 10V zu einem Ausgangsstrom von 1A. Die Schnittstelle soll auf eine Weise gestaltet werden, dass ein Leitwert von 1mS für Rset in einem Ausgangsstrom von 1A resultiert. Gemäß 6 ist die Spannungsquelle Vk auf 5V eingestellt. Dies bedeutet, dass 5V an Rset angelegt werden (siehe 5). Der Operationsverstärker arbeitet auf eine Weise, die Pegeldifferenz an seinen beiden Eingängen zu minimieren, was durch seine Gegenkopplung über Rfb ermöglicht wird. Wenn also die Spannung Vk 5V entspricht, bedeutet dies, dass 5V auch am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers anliegen werden. Dies führt zu 5V am jeweiligen Stromsetzwiderstand Rset und zu einem Strom durch die Kommunikationsleitung CL von 5V / 1kΩ= 5mA. Diese 5mA durch die Kommunikationsleitung CL fließen ebenso durch den Strommesswiderstand Rfb, weil der Eingang des Operationsverstärkers eine hohe Impedanz hat und deshalb eine vernachlässigbare Stromaufnahme. Da die Spannung des internen Messsignals Vout entsprechend 6 für den gewünschten Betriebsstrom 10V betragen soll, muss die Spannung über dem Strommesswiderstand Rfb ebenfalls 5V sein, was einen Widerstandswert von 1kΩ respektive 1mS für Rfb ergibt. Entsprechend diesem Beispiel würde ein Lichtquellenmodul mit einem Strombedarf von 2A einen Stromsetzwiderstand Rset von 2mS bzw. 500 aufweisen.
Wie schon erwähnt, hat die Dreileitungsschnittstelle den Nachteil, dass das Messsignal mit dem durch den Betriebsstrom des mindestens einen Lichtquellenmoduls verursachten Spannungsabfall auf der gemeinsamen Masseleitung LED– verfälscht wird. Der Messstrom wird ja durch die gemeinsame Masseleitung LED– zusammen mit dem LED-Betriebsstrom geführt.
7 zeigt die Kennlinie der Strommesseinrichtung CMU, die vor allem abhängig von dem Strommesswiderstand Rfb ist. Die Kennlinie zeigt das interne Signal Vout des Ausgangs der Strommesseinrichtung CMU gegen den normalisierten Strommesswiderstand Rfb / RsetMin . RsetMin ist der minimal zulässige Wert des mindestens einen Stromsetzwiderstands, der zum maximal spezifizierten Ausgangsstrom IoutMax des Netzgeräts PSU führt. Somit liefert das Netzgerät bei dem dargestellten Wert 1, wenn Rfb = RsetMin, seinen maximalen Strom, bei gegebener Spannung des mindestens einen Lichtquellenmoduls also auch seine maximale Leistung an seinem Ausgang. Das zur maximalen Leistung gehörende interne Messsignal Vout ist 2·Vk, wie im Beispiel für 6 beschrieben.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Lichtquellenmodul, ein Netzgerät zum Betreiben eines derartigen Lichtquellenmoduls sowie eine Beleuchtungsanlage mit einem derartigen Netzgerät und mindestens einem derartigen Lichtquellenmodul bereitzustellen, das sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Lichtquellenmodul mit den Merkmalen von Patentanspruch 1, ein Netzgerät mit den Merkmalen von Patentanspruch 5 sowie durch eine Beleuchtungsanlage mit den Merkmalen von Patentanspruch 20.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und deren Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Schaltungsanordnung von 5 Verluste entstehen sowohl am Stromsetzwiderstand Rset, der – wie oben erwähnt – durch einen Stromsetzwiderstand Rset1 oder durch die Parallelschaltung mehrerer Stromsetzwiderstände Rset1, Rset2, Rsetm gebildet wird. Weiterhin entstehen Verluste am Strommesswiderstand R_meß. Bei dem oben angegebenen Dimensionierungsbeispiel entsteht am Messwiderstand R_meß beispielsweise eine Verlustleistung von 0,5 W.
Die Erfindung basiert nun auf der Idee, anstelle einer Strominformation eine Spannungsinformation auf der Kommunikationsleitung CL zu nutzen und zwar sowohl als Maßstab für den Gesamtstrombedarf wie auch als Rückkopplungsgröße für die Regelung des Iststroms Iout des Netzgeräts PSU. Dies wird dadurch ermöglicht, dass nunmehr anstelle eines Stromsetzwiderstands mindestens ein Strommesswiderstand vorgesehen ist, der unter Ausbildung eines Kopplungspunkts seriell zwischen die mindestens eine LED-Kaskade und das Bezugspotential gekoppelt ist, wobei der Leitwert des Strommesswiderstands proportional zum Strombedarf der LED-Kaskade ist. Darüber hinaus ist mindestens ein Koppelwiderstand vorgesehen, der zwischen den Kopplungspunkt und die Kommunikationsleitung gekoppelt ist.
Auf diese Weise werden zwei in Serie geschaltete Strommesswiderstände – in 5 sind dies die Widerstände Rset und R_meß – vermieden. Vielmehr werden nun die im Lichtquellenmodul angeordneten Strommesswiderstände doppelt genutzt. Auf diese Weise werden die Verluste in dem nicht mehr vorhandenen zweiten Strommesswiderstand vermieden, wodurch sich eine Verbesserung des Wirkungsgrads ergibt.
Weiterhin lässt sich durch diese Maßnahme eine Wiedereinführung einer Art natürlicher und lichtquellenmodulspezifischer Stromaufteilung erreichen, insbesondere einer ungleichmäßigen Stromverteilung zwischen den einzelnen Lichtquellenmodulen, die mit einem einzigen Netzgerät verbunden sind.
Folgendes Beispiel mag dies verdeutlichen: Stellt man sich vor, dass in einem Lichtquellenmodul drei LED-Kaskaden zur Realisierung eines RGB-Moduls parallel geschaltet sind, so ist zu berücksichtigen, dass die grünes Licht abstrahlenden LED mit einem höheren Strom betrieben werden müssen als die rotes und blaues Licht abstrahlenden LED. Infolge des höheren Stroms, der durch die grünes Licht abstrahlenden LED fließt, erhöht sich die Temperatur in dem Zweig, der die grünen LED umfasst. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie sinkt dessen Spannung, sodass der Strom, der durch die grünes Licht abstrahlenden LED fließt, sich weiter erhöht. Der die grünes Licht abstrahlenden LED enthaltende Zweig übernimmt daher Stromanteile der parallel geschalteten Zweige. Die ursprünglich vorgesehene Stromverteilung ist dadurch nicht mehr gewährleistet, d.h. die rotes und blaues Licht abstrahlende LED enthaltenden Zweige werden dunkler. Dadurch, dass erfindungsgemäß die Strommesswiderstände in das Lichtquellenmodul gewandert sind, kann nunmehr für jede der im Beispiel genannten parallelen LED-Kaskaden ein individueller Strommesswiderstand vorgesehen sein, um den Strom der jeweiligen Kaskade zu setzen und zu messen. Aufgrund der eingangs erklärten Relation muss der Messwiderstand des grünes Licht abstrahlende LED enthaltenden Zweigs am niederohmigsten sein. Allgemein gesprochen ist die Dimensionierung so zu wählen, dass die Flussspannungen aller parallel zu schaltenden LED-Kaskaden oder -zweige für sich genommen bei ihrem jeweiligen Nennstrom und bei einer gleichmäßigen, für einen eingeschwungenen Zustand ermittelten Betriebstemperatur untereinander gleich sind, und dass die Spannungsabfälle an den zugehörigen Messwiderständen bei den jeweiligen Nennströmen ebenfalls untereinander gleich sind, insbesondere bevorzugt 1V betragen. Erhöht sich temperaturbedingt der Strom in einer der parallel geschalteten LED-Kaskaden oder LED-Zweige, so erhöht sich auch der Spannungsabfall am zugehörigen Messwiderstand. Weil es diesen Messwiderstand überhaupt gibt, bleibt die Gesamt-Versorgungsspannung für das Lichtquellenmodul in etwa konstant, die benachbarten LED-Zweige werden kaum dunkler. Umgekehrt bewirken die auch in Serie zu den benachbarten LED-Zweigen geschalteten Messwiderstände eine Art „Abfederung” des doch geringen Einbruchs der Gesamt-Versorgungsspannung bei temperaturbedingter Stromerhöhung in einem Zweig, sodass die benachbarten Zweige noch weniger dunkler werden. Eine Verdunklung oder eine unnatürliche Stromaufteilung ist dadurch zuverlässig vermieden. Mit anderen Worten tritt dadurch, dass die Strommesswiderstände in die jeweiligen Lichtquellenmodule gewandert sind, ein Symmetriereffekt auf, wodurch die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile vermieden werden können. Liegt temperaturbedingte Symmetrierung vor, ist wie oben erläutert der Spannungsabfall an jedem der beteiligten Messwiderstände nicht mehr exakt gleich hoch. Hier kommen die Koppelwiderstände ins Spiel: Um solche kleinen Abweichungen zwischen den über den einzelnen Strommesswiderständen RMx abfallenden Spannungen auszugleichen, und um einen Mittelwert aus allen Spannungen als Rückkopplung für die Stromregelung des Netzgeräts PSU zu messen, sind die einzelnen Knoten zwischen den Messwiderständen und den zugehörigen LED-Kaskaden nicht hart mit der Kommunikationsleitung CL verbunden, sondern über mittelohmige Koppelwiderstände RCx an diese Leitung angeschlossen. Andernfalls könnten hohe Ausgleichsströme zwischen den Lichtquellenmoduln LEM auftreten, die die Kommunikationsleitung CL überlasten und die gesamte Messung verfälschen. Was hier im Beispiel für parallel geschaltete LED-Kaskaden innerhalb eines Lichtquellenmoduls gezeigt wurde, gilt entsprechend für parallel geschaltete Lichtquellenmodule. Diese Vorteile werden erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass der aus dem Stand der Technik bekannte erste Regelkreis RK1 zum Bestimmen eines LED-Betriebsstrom-Sollwerts entfällt, und dass die Regelschleife des zweiten Regelkreises RK2 aus dem Stand der Technik, der hier nun der einzige wirksame Regelkreis ist, über die Lichtquellenmodule geschlossen wird („loopclose-interface”).
Im Ergebnis ermöglicht die vorliegende Erfindung den Betrieb unterschiedlicher LED-Kaskaden mit unterschiedlichen Nennströmen an ein- und demselben Netzgerät. Dies ist einfach möglich, indem der Leitwert des entsprechenden Strommesswiderstands angepasst wird. Einer LED-Kaskade mit einem hohen Strombedarf wird deshalb ein im Vergleich zu den anderen LED-Kaskaden niederohmigerer Strommesswiderstand in Serie geschaltet und umgekehrt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die nicht zu vermeidenden Verluste nunmehr gespreizt sind. Im Stand der Technik entsteht nämlich infolge der Verluste am Messwiderstand R_meß ein Hotspot. Dieser kann zu einer vorzeitigen Alterung von in der Nähe angeordneten Bauelementen führen sowie den Betrieb von Bauelementen mit temperaturabhängigen Strom- und Spannungskennlinien, beispielsweise eben die hier interessierenden Leuchtdioden, beeinflussen.
Insofern umfasst eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lichtquellenmoduls mehrere parallel geschaltete LED-Kaskaden, wobei jeder LED-Kaskade ein Strommesswiderstand und ein Koppelwiderstand zugeordnet ist. Dadurch lassen sich RGB-Module realisieren, bei denen keinerlei Gefahr besteht, dass beispielsweise die rotes und blaues Licht abstrahlenden LED-Kaskaden im Betrieb dunkler werden gegenüber der grünes Licht abstrahlenden LED-Kaskade.
Der Leitwert des mindestens einen Koppelwiderstands ist proportional zum Strombedarf der jeweiligen LED-Kaskade festgelegt.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Wert des mindestens einen Koppelwiderstands für jede LED-Kaskade identisch festgesetzt ist.
Die aus dem Stand der Technik bereits bekannte und hierin übernommene Temperaturrückregeleinheit TDU gibt ihren Ausgangsstrom I_TDU bei lokal erkannter Übertemperatur direkt auf die Kommunikationsleitung aus, also auf die Verbindung aller Koppelwiderstände mit dem Anschluss des Netzgeräts für die Kommunikationsleitung CL, und nicht jeweils auf die Knoten zwischen betroffener LED-Kaskade und zugehörigem Messwiderstand. Dadurch genügen wesentlich geringere Ströme, um die Spannung auf der Kommunikationsleitung CL für eine wirksame LED-Betriebsstrom-Reduktion ausreichend anheben zu können, denn die Parallelschaltung aller Koppelwiderstände ist höherohmig dimensioniert als ein einzelner Messwiderstand.
Ein erfindungsgemäßes Netzgerät zum Betreiben mindestens eines derartigen Lichtquellenmoduls zeichnet sich dadurch aus, dass das Netzgerät umfasst einen Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss, wobei der erste Ausgangsanschluss mit der Versorgungsleitung des mindestens einen Lichtquellenmoduls gekoppelt ist, wobei der zweite Ausgangsanschluss mit der Masseleitung des mindestens einen Lichtquellenmoduls gekoppelt ist. Es umfasst weiterhin einen Kommunikationsanschluss, der mit der Kommunikationsleitung des mindestens einen Lichtquellenmoduls gekoppelt ist, sowie eine einstellbare Stromquelle, die ausgangsseitig mit dem ersten und mit dem zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist zum Bereitstellen eines Ausgangsstroms, wobei die Stromquelle eingangsseitig einen Steueranschluss aufweist.
Es ist eine Regelungsschaltung vorgesehen, die eingangsseitig mit dem Kommunikationsanschluss gekoppelt ist und ausgangsseitig mit dem Steueranschluss der Stromquelle, wobei die Regelungsschaltung einen Regelkreis umfasst, der ausgelegt ist, in Abhängigkeit des Spannungssignals am Kommunikationsanschluss, insbesondere durch die sich in der geschlossenen Regelschleife ergebende Dynamik, einen Sollwert für den von der Stromquelle bereitzustellenden Strom zu ermitteln und durch den Spannungspegel auf der Kommunikationsleitung den Istwert des von der Stromquelle bereitgestellten Stroms in Abhängigkeit des besagten Sollwerts zu regeln, wobei der Regelkreis eine Gegenkopplung aufweist, die derart ausgelegt ist, dass der Regelkreis den Gleichspannungswert des Signals auf der Kommunikationsleitung nicht beeinflusst.
Bevorzugt umfasst die Regelungsschaltung eine zweite Spannungsquelle sowie einen ersten Operationsverstärker, wobei die zweite Spannungsquelle zwischen den nicht-invertierenden Anschluss des ersten Operationsverstärkers und den zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, wobei der invertierende Anschluss des ersten Operationsverstärkers mit dem Kommunikationsanschluss gekoppelt ist. Die Gegenkopplungsschaltung des ersten Operationsverstärkers ist dabei vorzugsweise sehr hochohmig gegenüber Gleichströmen gestaltet, damit die Messung des Spannungssignals am Kommunikationsanschluss nicht verfälscht werden kann.
Bevorzugt ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers die Serienschaltung eines ohmschen Widerstands und eines Kondensators gekoppelt. Dadurch wird die Auswertung eines Spannungssignals auf der Kommunikationsleitung ermöglicht, und zwar einerseits zur Ermittlung des Strombedarfs, was sich im Sollwert für den Ausgangsstrom Iout widerspiegelt, und andererseits zur Regelung des Istwerts des Ausgangsstroms Iout.
Die Regelungsschaltung umfasst bevorzugt eine Stromquelle, die mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers gekoppelt ist. Dies sichert ein Fail-Safe-Verhalten des Netzgeräts, wenn kein Lichtquellenmodul mit den Ausgangsanschlüssen des Netzgeräts gekoppelt ist.
In diesem Zusammenhang ist die Stromquelle der Regelungsschaltung bevorzugt gebildet durch eine dritte Spannungsquelle, die über einen ohmschen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers gekoppelt ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Stromquelle der Regelungsschaltung derart ausgelegt ist, dass ihr Ausgangsstrom linear proportional zur Spannung am Ausgang des ersten Operationsverstärkers ist, wobei insbesondere gilt: I_CL = Iout RMx / RCx, wobei I_CL den Strom am Ausgang der Stromquelle der Regelungsschaltung darstellt, I_out den Ausgangsstrom der einstellbaren Stromquelle des Netzgeräts, R_Mx den Strommesswiderstand des Lichtquellenmoduls x und R_Cx den Koppelwiderstand des Lichtquellenmoduls x.
Durch diese Maßnahme kann die Spannungsinformation auf der Kommunikationsleitung von einem Wert in der Größenordnung von 1V auf deutlich höhere Werte angehoben werden, beispielsweise 2,5V oder sogar 3V oder 5V, um die Genauigkeit und Auflösung zu verbessern. Dadurch können für die zweite Spannungsquelle bessere, d.h. belastungs- und thermostabile Referenzspannungsquellen verwendet werden, und die Fehler aufgrund des Gleichspannungsabfalls auf der gemeinsamen Masseleitung werden vernachlässigbar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Stromquelle der Regelungsschaltung einen zweiten Operationsverstärker, einen ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten und einen fünften ohmschen Widerstand sowie eine vierte Spannungsquelle, wobei der erste ohmsche Widerstand zwischen den Ausgang des ersten Operationsverstärkers und den nicht-invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers gekoppelt ist, wobei der zweite ohmsche Widerstand zwischen den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers gekoppelt ist, wobei der dritte ohmsche Widerstand zwischen den nicht-invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers und den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers gekoppelt ist, wobei der vierte ohmsche Widerstand zwischen den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und dessen invertierenden Eingang gekoppelt ist, wobei der fünfte ohmsche Widerstand zwischen die vierte Spannungsquelle und den invertierenden Anschluss des zweiten Operationsverstärkers gekoppelt ist. Der zweite Anschluss der vierten Spannungsquelle kann vorzugsweise mit der gemeinsamen Masseleitung des Netzgerätes verbunden sein oder besonders vorteilhaft mit dem positiven Eingang der zweiten Spannungsquelle. Auf diese Weise wird ein analoger einstellbarer Spannungs-zu-Strom-Verstärker realisiert.
Bevorzugt ist dem vierten ohmschen Widerstand ein Kondensator parallel geschaltet, wodurch sich Totzeiten innerhalb der Stromquelle, die den Strom Iout bereitstellt, kompensieren lassen. Die Stromquelle der Regelungsschaltung weist dadurch ein leichtes PT1-Verhalten, also Tiefpassverhalten erster Ordnung auf.
Besonders bevorzugt sind die Werte des ersten, des dritten und des vierten ohmschen Widerstands gleich groß. Dadurch wird der Arbeitsbereich, in dem der zweite Operationsverstärker nicht übersteuert, maximiert.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Leitwert des zweiten ohmschen Widerstands gleich dem Gesamtleitwert aller parallel geschalteter Koppelwiderstände ist. Dies optimiert die Linearität der Gesamtanordnung über einen weiten Arbeitsbereich, hinzugenommen eine weitere sehr vorteilhaften Dimensionierung, nämlich dass obige drei gleich große Widerstände deutlich hochohmiger, insbesondere zehn bis hundert mal hochohmiger als der zweite ohmsche Widerstand gewählt werden. Der zweite Operationsverstärker wird dadurch wirkungsverwandt zu „OpAmp” aus 5, der zweite Widerstand bekommt gleichen Wert und gleiche Funktion wie „Rfb” aus 5.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der fünfte ohmsche Widerstand wie folgt gewählt:
wobei Radj den fünften ohmschen Widerstand darstellt, Rcs den dritten ohmschen Widerstand und Rcc den zweiten ohmschen Widerstand.
Um ein Dimmen zu ermöglichen, ist die zweite Spannungsquelle modulierbar ausgebildet. Sie ist insbesondere mit einer entsprechenden Modulationsvorrichtung gekoppelt, die ihrerseits eine Schnittstelle zur Zuführung einer Dimminformation aufweist.
Das Netzgerät kann in diesem Zusammenhang weiterhin ein Tiefpassfilter umfassen, das zwischen die zweite Spannungsquelle und den nicht-invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers gekoppelt ist. Dieses Tiefpassfilter dient als Steilheitsbegrenzer und begünstigt dadurch das initiale Einschalten des Netzgeräts derart, dass Überschwinger vermieden werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sein können. Dabei zeigen:
1 in schematischer Darstellung das Konzept der Parallelschaltung der Stromsetzwiderstände;
2 in schematischer Darstellung eine sehr einfache Lösung für die Temperaturrückregelung;
3 in schematischer Darstellung das Gesamtkonzept mit der Temperaturrückregelungseinheit TDU;
4 in schematischer Darstellung zwei einfache Varianten für die Realisierung der Temperaturrückregelungseinheit TDU;
5 eine schematische Darstellung der netzgeräteseitigen Schnittstelle, wobei Vout eine netzgeräteinterne Spannung ist, die durch den Strom in der Kommunikationsleitung CL entsteht und als Sollwert für den zweiten Regelkreis RK2 dient;
6 ein Kennlinienfeld für den Schaltkreis gemäß 5;
7 ein Kennlinienfeld der Strommesseinrichtung für den Schaltkreis gemäß 5;
8 in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanlage mit drei erfindungsgemäßen Lichtquellenmodulen sowie einem erfindungsgemäßen Netzgerät;
9 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Netzgeräts;
10 in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Netzgeräts, für 100%-Betrieb (10a) und für Dimmbetrieb wie hier vorgeschlagen (10b);
11 in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Spannung Vk beim ungedimmten Betrieb (11a) sowie für drei unterschiedliche Dimmvarianten (11b, 11c, 11d).
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
8 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanlage BEL, die ein erfindungsgemäßes Netzgerät PSU umfasst, sowie beispielhaft drei Lichtquellenmodule LEM1, LEM2 und LEM3. Während beim Lichtquellenmodul LEM1 lediglich eine LED-Kaskade LK1 vorhanden ist, umfasst das Lichtquellenmodul LEM2 drei parallel geschaltete LED-Kaskaden LK2a, LK2b und LK2c. Das Lichtquellenmodul LEM3 enthält ebenfalls drei LED-Kaskaden LK3a, LK3b und LK3c, die jedoch nicht direkt parallel geschaltet sind, wie weiter unten noch ausführlicher dargelegt werden wird.
Wie 8 weiterhin zu entnehmen ist, ist unter Ausbildung eines Kopplungspunkts N1, N2 bzw. N3a, N3b und N3c seriell zwischen jede LED-Kaskade oder Gruppe von parallel geschalteten LED-Kaskaden und das Bezugspotential ein Strommesswiderstand RMx gekoppelt, wobei der Leitwert des Strommesswiderstands proportional zum Strombedarf der jeweiligen LED-Kaskade oder Gruppe von LED-Kaskaden ist. Ist ILEMx der Betriebsstrom der jeweiligen LED-Kaskade oder Gruppe von LED-Kaskaden im Nennbetriebspunkt, so werden die Messwiderstände RMx bevorzugt so dimensioniert, dass an ihnen im Nennbetriebspunkt eine Spannung von beispielsweise 1V abfällt. Allgemeiner formuliert lautet diese Beziehung also: 1V / RMx = ILEMx.
Um kleine Abweichungen zwischen den über den einzelnen Strommesswiderständen RMx abfallenden Spannungen auszugleichen und um einen Mittelwert aus allen Spannungen als Rückkopplung für die Stromregelung des Netzgeräts PSU zu messen, sind die einzelnen Knoten zwischen ihnen und den zugehörigen LED-Kaskaden nicht hart mit der Kommunikationsleitung CL verbunden, sondern über mittelohmige Koppelwiderstände RCx an diese Leitung angeschlossen.
Andernfalls könnten hohe Ausgleichsströme zwischen den Lichtquellenmodulen LEM auftreten, die die Kommunikationsleitung CL überlasten und die gesamte Messung verfälschen. Wie 8 zu entnehmen ist, können erfindungsgemäß unterschiedliche Typen von Lichtquellenmodulen LEM einschließlich untereinander abweichender Stromnennwerte gleichzeitig an ein und demselben Netzgerät PSU angeschlossen sein, solange jedes an der gesamten Beleuchtungsanlage BEL beteiligte, mit dem einen Netzgerät PSU verbundene und von ihm mit der nötigen Energie versorgte Lichtquellenmodul LEM die gleiche Nennarbeitsspannung hat.
Wie ein Vergleich der 8 mit 5 ergibt, entfällt bei der vorliegenden Erfindung im Netzgerät PSU der sonst übliche Strommesswiderstand R_meß in der gemeinsamen Masseleitung LED–. Dadurch werden letztendlich zwei in Serie liegende Strommesswiderstände, vgl. 5, vermieden.
Die Kommunikationsleitung CL ist direkt mit dem invertierenden Eingang des proportional-integrierendkompensierten Reglerverstärkers Contr verbunden. Dieser Reglerverstärker weist eine Gegenkopplung auf, die den Widerstand R_PI und den dazu in Serie angeordneten Kondensator C_PI umfasst. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist verbunden mit einem steilheitsbegrenzenden, auf eine Referenzspannung V_k aufgeladenen Tiefpassfilter, das einen Widerstand R_k und einen Kondensator C_k umfasst. Der Ausgang des Reglerverstärkers, an dem die Stellgröße V_out ansteht, ist verbunden mit dem Eingang einer Gate-Ansteuerungsschaltung GD.
Aus der Operationsverstärkerregel „Angleichung der Eingangsspannungen” folgt für diese Topologie, dass unter normalen Arbeitsbedingungen die Spannung auf der Kommunikationsleitung CL, gemessen gegen die gemeinsame Masseleitung LED-, der Referenzspannung V_k entspricht. Da die Gate-Ansteuerungsschaltung GD zeitgesteuerte Signale ausgibt an die einstellbare Stromquelle CG, beginnt mit der Gate-Ansteuerungsschaltung GD das Leistungsteil des Netzgeräts PSU.
Die Gate-Ansteuerungsschaltung GD umfasst bevorzugt einen PWM-Generator oder einen einstellbaren Frequenzgenerator oder beides, einige kleine Verstärker und, sofern nötig, Pulstransformatoren oder Bootstrapschaltungen zur Ansteuerung der Leistungsschalter mit springendem Potenzial. Diese sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, sind aber dem Fachmann einschlägig bekannt. Dynamisch und als Einheit betrachtet bilden die Gate-Ansteuerungsschaltung GD und die Stromquelle CG ein System, das einen im Wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen der Stellgröße V_out und dem Ausgangsstrom I_out zeigt, d.h. also einen quasi konstanten Verstärkungsfaktor zwischen diesen beiden Größen.
Zwischen V_out und I_out kann ein Offset vorhanden sein, eine gewisse maximale Rampensteilheit des Ausgangsstroms I_out, eine damit zusammenhängende charakteristische Zeitkonstante und gegebenenfalls eine relativ kleine Totzeit, abhängig von der internen Schaltfrequenz der Gate-Ansteuerungsschaltung GD. Der genannte Offset wird automatisch kompensiert durch die Beschaltung des Reglerverstärkers Contr als PI-Regler, denn aufgrund des Gleichstrom blockierenden Kondensators C_PI kann die Stellgröße V_out an seinem Ausgang jeden statischen Wert annehmen, der für einen stabilen Betrieb des Netzgeräts PSU nötig ist. Deswegen kann V_out direkt an den Eingang der Gate-Ansteuerungsschaltung GD angeschlossen sein.
Die in 8 dargestellte Schaltungsanordnung basiert darauf, eine Spannungsinformation auf der Kommunikationsleitung CL doppelt zu nutzen, einerseits als Gesamtstrombedarfsrückmeldung und andererseits direkt als Rückmeldespannung für die Ausgangsstromregelung des Netzgeräts PSU, mit anderen Worten also einmal zur Bereitstellung eines Sollwerts für den Ausgangsstrom I_out aufgrund der Gesamtstrombedarfsrückmeldung und andererseits zur Regelung des Istwerts des Stroms I_out.
Dies wird dadurch ermöglicht, dass der gemäß 5 im Netzgerät konzentrierte Summenstrommesswiderstand R_meß auf alle gleichzeitig an dem einen betrachteten Netzgerät PSU angeschlossenen Lichtquellenmodule LEM aufgeteilt wird in die einzelnen Strommesswiderstände R_Mx bzw. in R_M1, R_M2, R_M3a, R_M3b und R_M3c gemäß 8. Das Netzgerät PSU gemäß 8 umfasst daher keinen Strommesswiderstand in seinem Leistungs-Ausgangsstrompfad, also im Strompfad seiner einstellbaren Stromquelle CG.
Der jeweilige ohmsche Koppelwiderstand R_Cx kann für jedes Lichtquellenmodul oder für jede LED-Kette gleich dimensioniert sein, beispielsweise R_Cx = 1kΩ oder R_Cx = 10kΩ. Weil aufgrund des direkten Anschlusses des PI-Reglers Contr mit seiner Gleichstrom sperrenden Gegenkopplung kein Gleichstrom durch diese Koppelwiderstände fließt, ist eine einheitliche Dimensionierung der Koppelwiderstände R_Cx unabhängig von den Nennströmen I_LEMx möglich. Aber damit gibt es auch folgendes Problem: Weil die Regelverstärkung des Netzgerätestromreglers Contr durch das Verhältnis aus dem Gegenkoppelwiderstand R_PI zur Parallelschaltung aller gleichzeitig angeschlossenen R_Cx definiert ist, wird das dynamische Verhalten der geschlossenen Stromregelschleife abhängig von der Zahl der angeschlossenen LED-Ketten bzw. Lichtquellenmodule.
Dieses Problem wird gelöst, indem die Werte der Koppelwiderstände RCx vom Lichtquellenmodul-Nennstrom in ähnlicher Weise abhängig gemacht werden wie oben die Werte der Strommesswiderstände RMx: 1V / RCx = ILEMx / 20...1000.
Damit ist das vorgenannte dynamische Verhalten der geschlossenen Stromregelschleife, definiert durch die Stromregelschaltung des erfindungsgemäßen Netzgeräts an sich und alle daran angeschlossenen Messwiderstände R_Mx sowie Koppelwiderstände R_Cx, nicht mehr abhängig von der Anzahl der gleichzeitig angeschlossenen Lichtquellenmodule, sondern nur noch vom Gesamtstrombedarf. Die oben erwähnte Doppelnutzung geschieht somit dadurch, dass die LED-Betriebsstrom-Istwerterfassung durch die Spannung auf der Kommunikationsleitung an sich bewerkstelligt wird, die Gesamtstrombedarfsrückmeldung hingegen durch die aus dem Gesamtsystem sich aktuell ergebende Dynamik der geschlossenen Stromregelschleife: Je höher der Gesamtstrombedarf ist, desto höher ist die Regelverstärkung des Netzgerätestromreglers Contr.
Um ein System aus einem Netzgerät PSU und mindestens einem Lichtquellenmodul LEM intrinsisch fehlersicher zu machen gegen eine fehlende Verbindung mit der Kommunikationsleitung CL oder gegen unwirksame Widerstände R_Mx oder R_Cx, oder um ein Netzgerät PSU leerlaufsicher zu bekommen, wird der Kommunikationsleitungsanschluss netzgeräteseitig über einen hochohmigen Fail-Safe-Widerstand Rfs, der mit der internen Hilfsspannungsversorgung Vaux des Netzgeräts PSU verbunden ist, leicht angehoben. Der Wert des Fail-Safe-Widerstands Rfs kann im Bereich einiger Megaohm liegen. Er liefert einen sehr kleinen Strom I_CL, der aus dem CL-Anschluss des Netzgeräts PSU herauskommt.
Wie oben beschrieben, ist die Spannung am Anschluss der Kommunikationsleitung CL des Netzgeräts PSU in der Regel gleich der Spannung V_k. Modulseitig ist die Spannung zwischen der Kommunikationsleitung CL und der gemeinsamen Masseleitung LED– vorzugsweise 1V, festgelegt durch die jeweilige Dimensionierung der Strommesswiderstände R_Mx.
Das führt zu einem Wert von 1V für die Referenzspannung V_k bei obiger Dimensionierung für diese einfachste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß 8.
Dadurch, dass die Koppelwiderstände R_Cx vom Lichtquellenmodul- bzw. LED-Ketten-Nennstrom abhängig gemacht werden, wird die in 9 gezeigte Realisierung der Erfindung möglich. Durch höherohmige Koppelwiderstände R_Cx, beispielsweise gemäß der folgenden Dimensionierung: 1V / RCx = ILEMx / 100...5000 kann die Rückmeldespannung auf der Kommunikationsleitung CL auf deutlich höhere Werte angehoben werden, beispielsweise auf 2,5V oder sogar 3V oder 5V. Im Falle von 2,5V oder 5,0V kann die Referenzspannung V_k beispielsweise von einem Baustein TL431, der eine sehr stabile innere Referenzspannungsquelle enthält, erzeugt werden. Dadurch wird eine bessere Genauigkeit und Auflösung erzielt. Eine besonders willkommene Folge hiervon ist, dass sich dadurch die Fehler aufgrund des Gleichspannungsabfalls auf der gemeinsamen Masseleitung LED– vernachlässigbar machen lassen.
Um diese höheren Spannungswerte auch bei zunächst unbekannten Werten der mit der Kommunikationsleitung verbundenen Koppelwiderstände einstellen zu können, muss die obige, durch den Fail-Safe-Widerstand R_fs an der Hilfsspannungsquelle V_aux realisierte Stromquelle ersetzt werden durch eine komplexere Quelle, die im Folgenden mit der Bezeichnung Konditionierungsstromquelle CCS bezeichnet und in den 9 bis 10b detaillierter dargestellt ist.
Wie in 9 schematisch dargestellt, ist ihr Ausgangsstrom I_CL linear proportional zur Ausgangsspannung V_out des PI-Reglers Contr und hat einen Wert in umgekehrter Relation zum Ausgangsstrom I_out, als ihn die Widerstände R_Mx und R_Cx der LED-Ketten bzw. Lichtquellenmodule haben. Typischerweise beträgt der Strom I_CL der Quelle CCS zwischen 1‰ und 1% von I_out.
Bevorzugt lässt sich die Konditionierungsstromquelle CCS, wie in den 10a und 10b gezeigt, als spannungsgesteuerte Stromquelle realisieren und umfasst bevorzugt einen Operationsverstärker OpAmp, umgeben von fünf Widerständen: Der normale lineare Subtrahierer, der einen Widerstand zwischen dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers und seiner Bezugsmasse aufweist, kann in einen analogen Spannungs-zu-Strom-Verstärker umgewandelt werden, indem ein Ausgangsserienwiderstand, der so genannte Konditionierungswiderstand Rcc, hinzugefügt wird sowie oben erwähnter Widerstand am nicht-invertierenden Eingang anstatt an Bezugsmasse an das freie Ende des Konditionierungswiderstands Rcc angeschlossen wird. Letzterer bildet demnach einen Stromquellen-Abschlusswiderstand und ist in der Darstellung von 10a und 10b mit Rcs bezeichnet. Auf diese Weise wird der Ausgangsstrom I_CL des Verstärkers OpAmp gemessen, und dieser Messwert wird automatisch an die Spannungsdifferenzbildung zurückgekoppelt.
Bevorzugt wird durch einen Gegenkopplungswiderstand R_fb sichergestellt, dass die Gegenkopplung stärker ist als jede Mitkopplung.
Ein Einkoppelwiderstand R_ff bringt die Spannung V_out in die Schaltung hinein, wobei mit einem Justierwiderstand R_adj schließlich die Rückkopplung vervollständigt wird. Wie seine Bezeichnung andeutet, spielt der Justierwiderstand eine wichtige Rolle bei der Einstellung der Schaltung für die Konditionierungsstromquelle CCS in der Weise, dass ihr Ausgangsstrom am Knoten zwischen R_CS und R_CC vollkommen unabhängig von der momentanen Ausgangsspannung am selben Knoten wird. In der Literatur ist der Justierwiderstand auf seiner anderen Seite mit der Bezugsmasse der gesamten Schaltung verbunden (nicht dargestellt). In 10a ist er an die vierte Spannungsquelle oder Offset-Spannung Voff angeschlossen, deren negativer Pol auf der gemeinsamen Masseleitung LED– liegt; in 10b liegen zwischen der anderen Seite des Justierwiderstands und LED- die zweite und die vierte Spannungsquelle in Serie auf eine Weise, dass sich ihre Werte positiv addieren.
Bevorzugt sind die Werte für R_ff, R_CS und R_fb gleich groß gewählt. Der Wert von R_CC sollte im Bereich des kleinsten erwarteten Widerstandswerts aller parallel geschalteten Koppelwiderstände R_Cx liegen oder diesem genau entsprechen, und der für die anderen drei Widerstände R_ff, R_CS und R_fb entsprechend zehn- bis hundertmal höher gewählt werden. Wenn R_adj der Gleichung
entspricht, produziert die Konditionierungsstromquelle CCS ihren Ausgangsstrom I_CL vollkommen unabhängig von der momentanen Spannung am Anschluss der Kommunikationsleitung CL (Stromquellendefinition), und ihre Wandlungsrate unter gewolltem Einfluss der Offset-Spannung V_off ist gegeben durch I_CL = (Rcc + Rcs)(Vout – Voff) / Rcc·Rcs.
Demnach ist I_CL gleich der Eingangsspannungsdifferenz dividiert durch die Parallelschaltung aus Konditionierungswiderstand Rcc und Stromquellenabschlusswiderstand Rcs.
Somit ist aus der Konditionierungsstromquelle CCS ein Modell des Leistungsteils des Netzgeräts PSU umfassend die einstellbare Leistungs-Stromquelle CG und die vorgeschaltete Gate-Ansteuerung GD geworden. Die Ausgangsspannung V_out der Regelungsschaltung wird parallel und gleichermaßen als Stellgröße an das Leistungsteil und als Steuergröße an die spannungsgesteuerte Konditionierungsstromquelle CCS abgegeben. Auf die Eingabe von V_out reagiert das Leistungsteil mit der Produktion von I_out, die Konditionierungsstromquelle mit der Abgabe von I_CL. I_out lässt an den Messwiderständen R_Mx aller angeschlossenen Lichtquellenmodule eine Spannung abfallen, die als Maß für den LED-Betriebsstrom-Istwert über die Kommunikationsleitung CL an die Regelungsschaltung zurückgeliefert wird. Aus Lichtquellenmodul-Effizienzgründen ist dieses Maß sehr niedrig, typischerweise etwa 1V, für eine sinnvolle Weiterverarbeitung in der Regelungsschaltung wie oben erläutert oft zu niedrig. Andernfalls – also selten – genügt eine Rückführung dieses Maßes in die Regelungsschaltung zur vollständigen Lösung der gestellten Aufgabe: Das Netzgerät PSU erkennt gar nicht im Detail, welcher Gesamtstrombedarf vorliegt, sondern nur, ob I_out stimmt oder nicht; dass der absolute LED-Gesamtbetriebsstrom und in erster Näherung sogar die Betriebsströme in den einzelnen LED-Strängen stimmen, erledigen aufgrund obiger Dimensionierung die Strommesswiderstände R_Mx eigenständig; die geforderte Summenbildung für den Gesamtstrombedarf erledigt die global gesehene Parallelschaltung der Strommesswiderstände ebenso eigenständig. Teillast ergibt sich hierdurch von selbst und in korrekter Weise, Überlast wird vom Netzgerät erkannt und abgefangen. Der Gesamtstrombedarf kann vom Netzgerät anhand der Dynamik des aktuell geschlossenen Regelkreises abgeleitet werden.
In den häufigeren Fällen hingegen erzeugt I_CL an den Koppelwiderständen R_Cx eine weitere Spannung, die sich an den Knoten N1, N2, N3a, N3b, N3c zum Maß für den LED-Betriebsstrom hinzu addiert. Damit wird das Spannungssignal für die Rückführung an die Regelungsschaltung ausgehend von dem Maß für den LED-Betriebsstrom-Istwert um besagte weitere Spannung erhöht. Rein quantitativ erleichtert sich dadurch, wie erwünscht, die Auswertbarkeit durch die Regelungsschaltung. Die oben für einen seltenen Fall beschriebene intrinsische Gesamtstrombedarfsrückmeldung aufgrund Überflüssigmachung eben derselben geht allerdings verloren.
Der Wert dieser weiteren Spannung ist das Produkt des Konditionierungsstromquellen-Ausgangsstroms I_CL mit dem Widerstandswert der Parallelschaltung aller gerade angeschlossenen Koppelwiderstände R_Cx. Sind deren Werte alle gleich groß und bekannt, und ist die Anzahl der angeschlossenen LEM bekannt, kann daraus auf das echte Maß für den Istwert zurück geschlossen werden. Die Anzahl ist aber nicht nur nicht bekannt, sondern aufgrund der möglichen unterschiedlichen LED-Nennbetriebsströme sogar belanglos. Deshalb wurde das verbesserte Ausführungsbeispiel eingeführt, in dem der Leitwert auch dieser Koppelwiderstände proportional zum Nennbetriebsstrom des zugehörigen LEMs gewählt ist. Damit ist zumindest auf Modulseite das intrinsische Verhalten der Gesamtstrombedarfsrückmeldung wieder hergestellt: Stimmt die Spannung auf CL, stimmt der LED-Gesamtbetriebsstrom I_out, egal wie hoch er absolut ist. Ohne eine Anhebung des Spannungspegels auf CL durch eine Konditionierungsstromquelle kann, wie bei obigen seltenen Fällen, der Spannungsabfall an den Messwiderständen auch mit den proportional dimensionierten Koppelwiderständen direkt als Maß für den LED-Betriebsstrom-Istwert an die Regelungsschaltung zurückgegeben werden.
Mit Anhebung entsteht jedoch die Schwierigkeit, dass nur ein Bruchteil, typischerweise 10% bis 40%, des Spannungspegels auf CL direkt aus der Betriebsstrommessung herrührt: Netzgeräte- bzw. Regelungsschaltungsseitig ist die Intrinsizität noch nicht wieder hergestellt, es sei denn, die Pegelanhebung um die weitere Spannung ist annähernd proportional zum Maß für den Istwert. Genau das kann ein Modell leisten: Ohne den tatsächlichen Istwert überhaupt zu kennen, ist es in der Lage, einen zum Istwert identischen, proportionalen, oder zumindest stationär linear proportionalen Modellwert zu erzeugen. Da die stationäre Übertragungskennlinie des Leistungsteils annähernd linear ist, kann die schon bekannte Stellgröße V_out die tatsächliche Ausgangsgröße I_out unter gewissen Bedingungen als Eingangsgröße in das Modell ersetzen: Als Steuergröße für die Konditionierungsstromquelle, die das Modell darstellt, weil sie – wie oben schon nachgewiesen – ebenso linear ist wie die so genannte Strecke, das eigentliche Leistungsteil. Die Anpassung der Absolutwerte der modellierten Signale an das Gesamtsystem geschieht primär durch die schon eingeführte Wandlungsrate der Konditionierungsstromquelle.
Im Unterschied zur Strecke arbeitet das Modell ideal. Der Gesamtspannungspegel auf CL setzt sich also zusammen aus zwei grundsätzlich linear proportionalen Spannungsbestandteilen, wovon der kleinere Teil real, also fehlerbehaftet durch beispielsweise Zeitkonstanten oder Pegelversätze, und der größere Teil ideal ist. Geschlossene Regelschleifen kümmern sich immer um die Fehler. Idealisierte Additionen behindern die Erkennbarkeit der Fehler nicht, können sie sogar verstärken, womit die Gesamtfunktionalität auf jeden Fall erhalten bleibt. Die häufigsten Fehler sind Pegelversätze oder Offsetspannungen. Der markanteste solche Versatz ist aus 6 ersichtlich: Obwohl der LED-Betriebsstrom I_out von null beginnend einstellbar sein soll, gibt es nur Stellgrößen V_out hauptsächlich oberhalb des Wertes der zweiten Spannungsquelle V_k. Die Gate-Ansteuerungsschaltung GD und die Leistungs-Stromquelle CG weisen meist einen Offset ihrer kombinierten Verstärkung auf, sprich das Leistungsteil kommt bildlich gesprochen überhaupt erst in Gang, wenn die Stellgröße V_out am Eingang der Gate-Ansteuerung von null beginnend einen gewissen Wert erreicht hat. Entspricht dieser Wert zufällig einem solchen oben beschriebenen Versatz, kommt die Regelungsschaltung sofort in Eingriff und muß nichts mehr ausgleichen. Es kann aber auch sein, dass das Leistungsteil erst bei V_out > 7V zu arbeiten beginnt.
Beim Einschalten des Netzgeräts erzeugt die Regelungsschaltung eine Ausgangsspannung gleich der Referenz in Form der zweiten Spannungsquelle: V_out = V_k. Dieser Wert ist für das Einsetzen des Leistungsteils zu klein, weshalb der gemessene Istwert zu klein ist und somit der Verstärker „Contr” Strom ausgibt, um seine Ausgangsspannung zu erhöhen. Dieser Strom lädt den Kondensator C_PI positiv auf, wodurch sich V_out erhöht, bis das Leistungsteil startet, durch seine Aktion den Istwert erhöht und somit die Regelungsschaltung beruhigt. Umgekehrt kann das Leistungsteil aber auch schon bei V_out = 3V zu arbeiten beginnen. Eine initiale Beaufschlagung mit 5V führt sofort zu nennenswerter I_out-Produktion, die zu groß sein kann. Dann ist der gemessene Istwert zu groß, wodurch der Verstärker „Contr” Strom aufnimmt, weshalb sich der Kondensator C_PI negativ auflädt, sich Vout und damit der Istwert reduzieren und sich schließlich die Regelungsschaltung auch in dieser Richtung beruhigt. Dies ist das Prinzip des automatischen Ausgleichs von Spannungsversätzen durch den PI-Regler Contr des Netzgeräts PSU. Um diesen Ausgleich auch seitens der Konditionierungsstromquelle CCS zu modellieren, muss die Offset-Spannung V_off vorgesehen und entsprechend eingestellt sein. Für ein Beleuchtungssystem BEL, das für 100%-Betrieb ausgelegt ist, genügt somit die Konditionierungsstromquelle nach 10a, wobei der Wert von V_off ziemlich exakt auf die Summe aus der Spannung der zweiten Spannungsquelle und der im eingeschwungenen Zustand auf dem Gegenkopplungskondensator C_PI aufintegrierten Spannung einzustellen ist.
Aus Gründen der Stabilität, Genauigkeit und Auflösung des Gesamtsystems BEL ist es erforderlich, dass das Leistungsteil aus GD und CG, also die Strecke, und die Konditionierungsstromquelle CCS, also das Modell, nicht nur in eingeschwungenen Zuständen, sondern auch in dynamischen Übergängen weitgehend proportional zueinander arbeiten. Die Gate-Ansteuerungsschaltung GD und die Leistungsstromquelle CG weisen eine charakteristische Zeitkonstante sowie eine kleine Totzeit auf, welche seitens der Konditionierungsstromquelle CCS ebenso kompensiert werden müssen: Deswegen ist ein Feedback-Kondensator C_fb eingeführt, wie in 10a und 10b gleichermaßen dargestellt, der der Konditionierungsstromquelle CCS ein leichtes PT1-Verhalten, also leicht verzögerndes Verhalten gibt.
Da es bildlich gesprochen für das hier vorgestellte Beleuchtungssystem BEL schon einen „Stelleingang zu wenig” gibt, der aus der Konditionierungsstromquelle rekonstruiert werden muss (nämlich die Gesamtstrombedarfsrückmeldung), wird für das Dimmen der Weg beschritten, den Wert V_k der die Referenz darstellenden zweiten Spannungsquelle hierzu zu modifizieren.
Wie oben schon erläutert, stellt genau diese zweite Spannungsquelle den markantesten Spannungsversatz dar, der durch die Einstellung von V_off zu kompensieren ist. Wenn sich nun der Wert der zweiten Spannungsquelle V_k ändern kann, muss sich auch die Einstellung der vierten Spannungsquelle oder Offset-Spannung V_off zeitgleich ändern lassen.
Die einfachste mögliche Lösung hierfür ist in 10b dargestellt: Der Fußpunkt der vierten Spannungsquelle sitzt direkt auf der zweiten Spannungsquelle, die Rückkopplung der Konditionierungsstromquelle via R_adj bekommt jede Änderung des Wertes der zweiten Spannungsquelle V_k automatisch mitgeteilt. Auch für Dimmung geeignet kann so die vierte Spannungsquelle auf einen konstanten Wert eingestellt bleiben, und zwar in etwa auf den Wert, der sich im Mittel über alle Betriebspunkte des Netzgeräts PSU als Spannung über dem Gegenkoppelkondensator C_PI ergibt. Der schon erwähnte Feedback-Kondensator C_fb in der Konditionierungsstromquelle CCS muss hier etwas größer dimensioniert sein als in 10a, da er hier die zusätzliche Zeitkonstante durch R_k und C_k noch mit modellieren muss.
11 zeigt unterschiedliche Methoden zum Dimmen eines erfindungsgemäßen Netzgeräts PSU, und zwar durch Änderung der Spannung Vk. In diesem Zusammenhang zeigt 11a in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Spannung Vk in ungedimmtem Zustand, d.h. Vk ist gleich konstant ist gleich Vknom. Eine erste Variante zum Dimmen, siehe 11b, besteht darin, Vk konstant zu belassen, jedoch in der Amplitude auf Vkred zu reduzieren. Gemäß 11c kann ein Dimmen auch erreicht werden, indem die Spannung Vk pulsweitenmoduliert wird. 11d zeigt, dass eine Kombination einer Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer Absenkung der Amplitude auf Vkred ebenfalls möglich ist. Die Modulationsfrequenz der PWM beträgt bevorzugt zwischen 400 Hz und wenigen kHz.
Unterstützt wird diese Vorgehensweise durch eine maximal schnelle Regelschleife, wodurch Leistungsschalter am Ausgang des Netzgeräts PSU zum PWM-Dimmen der angeschlossenen Module und Leerlaufphasen des Netzgeräts eingespart werden können. Eine verbleibende Regelkreis-Zeitkonstante verursacht jedoch in der System-Sprungantwort, die für das PWM-Dimmen ausschlaggebend ist, Überschwinger, die nicht zu vermeiden sind. Diese werden bevorzugt gar nicht erst angeregt, weshalb als Steilheitsbegrenzer ein Tiefpassfilter, der den Widerstand R_k und den Kondensator C_k umfasst, mit einer Zeitkonstante ähnlich der Regelkreiszeitkonstante zwischen der Spannung V_k und dem nicht-invertierenden Eingang des PI-Reglers eingefügt ist. Dies begünstigt auch das initiale Einschalten des Netzgeräts PSU.
Eine bewusste Fehlanpassung der Parallelschaltung der Widerstände Rcc und Rcs, insbesondere leicht in Richtung kleinerer Werte des Stroms I_CL als oben beschrieben, kann Spannungsabfälle auf der LED– -Leitung wirkungsvoll ausgleichen.
Eine ebenso bewusste Fehlanpassung des Kondensators C_fb in Richtung kleinerer Zeitkonstanten der Konditionierungsstromquelle CCS im Vergleich zum Leistungsteil, das die Gate-Ansteuerschaltung GD und die Leistungsstromquelle CG umfasst, bewirkt einen natürlichen Dämpfungseffekt bei Lichtpegelsprüngen des Gesamtsystems.
Aufgrund der Leistungsabschalteigenschaft bei unterbrochener Verbindung zwischen Netzgerät PSU und Lichtquellenmodul LEM ist das erfindungsgemäße Netzgerät PSU intrinsisch „hot-plugging proof”, d.h. es drosselt seinen Ausgangsstrom I_out auf null, sobald das letzte Lichtquellenmodul abgetrennt wird, und startet erst, wenn das erste Lichtquellenmodul wieder angeschlossen wird. Dadurch kann ein weiterer Ausgangs-Leistungsschalter eingespart werden, der üblicherweise für solche Spezialanforderungen zusätzlich vorgehalten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10051528 A1 [0008]
DE 102011087658 [0008]
DE 102012224348 [0019, 0020]
DE 102012224349 A [0042]
DE 102012224349 [0042]

Claims

Lichtquellenmodul (LEM) umfassend: – mindestens eine LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c) mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten LED (D1, D2, Dn); – eine Versorgungsleitung (LED+) zum Koppeln mit einer Stromquelle (GD, CG), wobei die LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c) eingangsseitig mit der Versorgungsleitung (LED+) gekoppelt ist; sowie – eine Masseleitung (LED–) zum Koppeln mit einem Bezugspotential; dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellenmodul (LEM) weiterhin umfasst: – eine Kommunikationsleitung (CL) zum Koppeln mit einer Regelvorrichtung (Contr) für den von der Stromquelle bereitzustellenden Strom; – eine Temperaturrückregelungseinheit (TDU), die zwischen eine erste Spannungsquelle (V1), insbesondere einem Abgriff innerhalb einer LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c), und die Kommunikationsleitung (CL) gekoppelt ist und ein temperatursensibles Element (NTC; PTC) umfasst, wobei die Temperaturrückregelungseinheit (TDU) ausgelegt ist, in Abhängigkeit einer vom temperatursensiblen Element (NTC; PTC) erfassten Temperatur einen temperaturabhängigen Stromanteil (I_TDU) auf die Kommunikationsleitung zu legen; – mindestens einen Strommesswiderstand (RM1, RM2), der unter Ausbildung eines Kopplungspunkts (N1; N2) seriell zwischen die mindestens eine LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c) und das Bezugspotential gekoppelt ist, wobei der Leitwert des Strommesswiderstands (RM1, RM2) proportional zum Strombedarf der LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c) ist; sowie – mindestens einen Koppelwiderstand (RC1; RC2), der zwischen den Kopplungspunkt (N1; N2) und die Kommunikationsleitung (CL) gekoppelt ist.
Lichtquellenmodul (LEM) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellenmodul (LEM) mehrere parallel geschaltete LED-Kaskaden (LK3a, LK3b, LK3c) umfasst, wobei jeder LED-Kaskade (LK3a, LK3b, LK3c) ein Strommesswiderstand (RM3a, RM3b, RM3c) und ein Koppelwiderstand (RC3a, RC3b, RC3c) zugeordnet ist.
Lichtquellenmodul (LEM) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitwert des mindestens einen Koppelwiderstands (RC1; RC2) proportional zum Strombedarf der LED-Kaskade ist (LK1; LK2a, LK2b, LK2c).
Lichtquellenmodul (LEM) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des mindestens einen Koppelwiderstands (RC1; RC2) für jede LED-Kaskade (LK1; LK2a, LK2b, LK2c) identisch ist.
Netzgerät (PSU) zum Betreiben mindestens eines Lichtquellenmoduls (LEM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzgerät (PSU) umfasst: – einen Ausgang mit einem ersten (LED+) und einem zweiten Ausgangsanschluss (LED–), wobei der erste Ausgangsanschluss (LED+) mit der Versorgungsleitung (LED+) des mindestens einen Lichtquellenmoduls (LEM) gekoppelt ist, wobei der zweite Ausgangsanschluss (LED–) mit der Masseleitung (LED–) des mindestens einen Lichtquellenmoduls (LEM) gekoppelt ist; – einen Kommunikationsanschluss (CL), der mit der Kommunikationsleitung (CL) des mindestens einen Lichtquellenmoduls (LEM) gekoppelt ist; – eine einstellbare Stromquelle (GD, CG), die ausgangsseitig mit dem ersten Ausgangsanschluss (LED+) und mit dem zweiten Ausgangsanschluss (LED–) gekoppelt ist zum Bereitstellen eines Ausgangsstroms (I_out), wobei die Stromquelle (GD, CG) eingangsseitig einen Steueranschluss aufweist; – eine Regelungsschaltung (Contr), die eingangsseitig mit dem Kommunikationsanschluss (CL) gekoppelt ist und ausgangsseitig mit dem Steueranschluss der Stromquelle (GD, CG), wobei die Regelungsschaltung (Contr) einen Regelkreis umfasst, der ausgelegt ist, in Abhängigkeit des Spannungssignals am Kommunikationsanschluss (CL), insbesondere durch die sich in der geschlossenen Regelschleife ergebende Dynamik, einen Sollwert für den von der Stromquelle (GD, CG) bereitzustellenden Strom zu ermitteln und durch den Spannungspegel auf der Kommunikationsleitung (CL) den Istwert des von der Stromquelle (GD, CG) bereitgestellten Stroms in Abhängigkeit des besagten Sollwerts zu regeln, wobei der Regelkreis eine Gegenkopplung aufweist, die derart ausgelegt ist, dass der Regelkreis den Gleichspannungswert des Signals auf der Kommunikationsleitung (CL) nicht beeinflusst.
Netzgerät (PSU) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsschaltung eine zweite Spannungsquelle (V_k) sowie einen ersten Operationsverstärker (Contr) umfasst, wobei die zweite Spannungsquelle (V_k) zwischen den nicht-invertierenden Anschluss des ersten Operationsverstärkers (Contr) und den zweiten Ausgangsanschluss (LED–) gekoppelt ist, wobei der invertierende Anschluss des ersten Operationsverstärkers (Contr) mit dem Kommunikationsanschluss (CL) gekoppelt ist.
Netzgerät (PSU) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Contr) die Serienschaltung eines ohmschen Widerstands (R_PI) und eines Kondensators (C_PI) gekoppelt ist.
Netzgerät (PSU) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsschaltung eine Stromquelle (CCS) umfasst, die mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Contr) gekoppelt ist.
Netzgerät (PSU) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (CCS) der Regelungsschaltung gebildet ist durch eine dritte Spannungsquelle (V_aux), die über einen ohmschen Widerstand (R_fs) mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Contr) gekoppelt ist.
Netzgerät (PSU) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (CCS) der Regelungsschaltung (Contr) derart ausgelegt ist, dass ihr Ausgangsstrom (Icss) linear proportional zur Spannung am Ausgang des ersten Operationsverstärkers (Contr) ist, wobei insbesondere gilt: I_CL = Iout RMx / RCx, wobei I_CL den Strom am Ausgang der Stromquelle der Regelungsschaltung darstellt, I_out den Ausgangsstrom der ansteuerbaren Stromquelle des Netzgeräts (PSU), R_Mx den Strommesswiderstand des Lichtquellenmoduls x und R_Cx den Koppelwiderstand des Lichtquellenmoduls x.
Netzgerät (PSU) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (CCS) der Regelungsschaltung einen zweiten Operationsverstärker (OpAmp), einen ersten (R_ff), einen zweiten (Rcc), einen dritten (Rcs), einen vierten (R_fb) und einen fünften (R_adj) ohmschen Widerstand sowie eine vierte Spannungsquelle (V_off) umfasst, wobei der erste ohmsche Widerstand (R_ff) zwischen den Ausgang des ersten Operationsverstärkers (Contr) und den nicht-invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OpAmp) gekoppelt ist, wobei der zweite ohmsche Widerstand (Rcc) zwischen den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (OpAmp) und den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Contr) gekoppelt ist, wobei der dritte ohmsche Widerstand (Rcs) zwischen den nicht-invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OpAmp) und den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Contr) gekoppelt ist, wobei der vierte ohmsche Widerstand (R_fb) zwischen den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (OpAmp) und dessen invertierenden Eingang gekoppelt ist; wobei der fünfte ohmsche Widerstand (R_adj) zwischen die vierte Spannungsquelle (V_off) und den invertierenden Anschluss des zweiten Operationsverstärkers (OpAmp) gekoppelt ist.
Netzgerät (PSU) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der negative Eingang der vierten Spannungsquelle (V_off) mit der gemeinsamen Masseleitung (LED–) verbunden ist.
Netzgerät (PSU) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der negative Eingang der vierten Spannungsquelle (V_off) mit dem positiven Eingang der zweiten Spannungsquelle (V_k) verbunden ist.
Netzgerät (PSU) nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem vierten ohmschen Widerstand (R_fb) ein Kondensator (C_fb) parallel geschaltet ist.
Netzgerät (PSU) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des ersten (R_ff), des dritten (Rcs) und des vierten (R_fb) ohmschen Widerstands gleich groß sind.
Netzgerät (PSU) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitwert des zweiten ohmschen Widerstands (Rcc) gleich dem Gesamtleitwert aller parallel geschalteten Koppelwiderstände (R_C1, R_C2, R_C3a, R_C3b, R_C3c) ist.
Netzgerät (PSU) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der fünfte ohmsche Widerstand (R_adj) wie folgt gewählt ist:
wobei R_adj den fünften ohmschen Widerstand darstellt, Rcs den dritten ohmschen Widerstand und Rcc den zweiten ohmschen Widerstand.
Netzgerät (PSU) nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannungsquelle (V_k) modulierbar ausgebildet ist.
Netzgerät (PSU) nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzgerät (PSU) weiterhin ein Tiefpassfilter (R_k, C_k) umfasst, das zwischen die zweite Spannungsquelle (V_k) und den nicht-invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Contr) gekoppelt ist.
Beleuchtungsanlage (BEL), aufweisend ein Netzgerät (PSU) nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 19 sowie mindestens ein Lichtquellenmodul (LEM) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches an das Netzgerät (PSU) angeschlossen ist.