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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung von lichtemittierenden Dioden ohne Glättungskondensator.
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Solche Vorrichtungen, auch Konverter genannt, dienen zur Ansteuerung einer lichtemittierenden Diode oder einer Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden.
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Die Anwendung lichtemittierender Dioden führt zu leicht dimmbaren Beleuchtungen mit gutem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer.
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Aus der
US 2013/0141016 A1 ist ein Konverter zur Ansteuerung einer lichtemittierenden Diode mit einem aktiven Schalter bekannt.
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Die in den Figuren dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen bestehen aus einem ersten und einem zweiten aktiven Schalter, mindestens einer Spule und mindestens einer Diode und sind vorzugsweise für kleine Spannungen verwendbar. Die hier vorgeschlagenen Vorrichtungen sind daher speziell zur Ansteuerung einer kleinen Anzahl von lichtemittierenden Dioden konzipiert. Sie sind keine universellen Steuerstufen, sondern entsprechend auf diese Anwendung zugeschnitten.
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Im Weiteren wird aber auch dargestellt, wie die Schaltungen auch für höhere Spannungen angepasst werden können. Da kein Ausgangskondensator verwendet wird, werden Kosten gespart und ein Bauelement, das relativ rasch altert, vermieden. Der Konverter wird sinnvollerweise stromgeregelt.
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Bei einigen der dargestellten Vorrichtungen wird im Konverter ein Kondensator als Zwischenspeicher verwendet. Üblicherweise wird dieser so dimensioniert, dass die Spannung sich während einer Taktperiode des Konverters nur geringfügig ändert. Damit ergeben sich relativ große Kondensatoren. Dies gilt besonders für den Einsatz in Schaltnetzteilen, wenn ein großer Spannungsbereich und/oder sehr unterschiedliche Lasten anzusteuern sind. Bei Beleuchtungen weiß man aber recht genau, in welchem doch recht eingeschränkten Arbeitsbereich die Schaltung arbeiten soll. Damit kann man größere Schwankungen zulassen, praktisch bis zur vollständigen Entladung dieses Zwischenspeichers. Ein entsprechend angepasster Kondensator ist daher entsprechend klein.
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Allen dargestellten Vorrichtungen ist gemeinsam, dass zwei aktive Schalter synchron gesteuert werden, wovon nur einer mit einer Treibervorrichtung versehen werden muss, der zweite aktive Schalter wird prinzipiell direkt durch ein auftretendes Potential angesteuert. Aus schaltungstechnischen Gründen wird man aber parallel zum Steuereingang des zweiten aktiven Schalters eine Spannungsbegrenzung z. B. in Form einer Durchbruchsdiode (Transil-, Transorbdiode) vorsehen. Ebenfalls wird man einen Widerstand in die Steuerleitung schalten. Der Grund dafür ist, dass das Potential, das zur Ansteuerung herangezogen wird, unmittelbar nach dem Schaltvorgang des ersten aktiven Schalters sich idealerweise sprunghaft erhöht, real aber bedingt durch parasitäre Kapazitäten einschwingt. Der in die Steuerleitung geschaltete Widerstand bedämpft nun den zusätzlichen Schwingkreis, der durch die Eingangskapazität des zweiten aktiven Schalters und der Induktivität der Steuerleitung gebildet wird, und verhindert so eine zu große Spannung am Steuereingang des zweiten aktiven Schalters.
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Weiter ist die Last, eine lichtemittierende Diode oder eine Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden, der oder denen eine Schottky-Diode zusätzlich in Serie geschaltet sein kann, immer parallel zum zweiten aktiven Schalter geschaltet.
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Die Figuren zeigen grundsätzliche Ausformungen der gegenständlichen Erfindung. Die Konverterstrukturen sind beispielhaft mit selbstsperrendem n-Kanal MOSFET als aktive Schalter gezeichnet. Nach dem heutigen Stand der Technik ist eine solche Ausführung sinnvoll. Die Schaltungen werden dabei in ihrer Grundstruktur gezeigt. Schutzbeschaltungen oder die Erweiterung des Konzepts auf höhere Spannungen sind nicht dargestellt.
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1 zeigt einen Konverter, bei dem an die positive Eingangsklemme der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) geschaltet ist. Das Steuersignal wird zwischen Steueranschluss (Gate) und negativen Anschluss (Source) des ersten aktiven Schalters (S1) gelegt. Dies gilt auch für die weiteren Schaltungen und wird nicht mehr speziell erwähnt. An den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) ist je ein Anschluss einer ersten Spule (L1) und eines Kondensators (C) geschaltet. An den zweiten Anschluss des Kondensators (C) sind die Kathode der Diode (D) und der erste Anschluss der zweiten Spule (L2) angeschlossen. Der zweite Anschluss der zweiten Spule (L2) ist mit dem positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) verbunden. Der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit der Anode der Diode (D), dem zweiten Anschluss der ersten Spule (L1) und der negativen Eingangsklemme verbunden. Die Last wird parallel zum zweiten aktiven Schalter (S2) angeschlossen. Der Steuereingang des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit der Kathode der Diode (D) verbunden.
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2 zeigt eine Abwandlung von 1. Die Lage von erstem aktiven Schalter (S1) und erster Spule (L1) ist vertauscht. Der erste aktive Schalter (S1) ist dadurch leichter ansteuerbar. Es ist kein Highside Treiber erforderlich. Nebenbei sei angemerkt, dass bei 1 zwecks leichterer Ansteuerung auch ein p-Kanal MOSFET einsetzbar ist.
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In 3 bilden die erste Spule (L1) und der Kondensator (C) einen Tiefpassfilter. An den ersten Anschluss des Kondensators (C) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) geschaltet, an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters ist die Kathode der Diode (D) und der erste Anschluss der zweiten Spule (L2) angeschlossen. An den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) ist der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters geschaltet. Der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit der Anode der Diode (D), dem zweiten Anschluss des Kondensators (C) und der negativen Eingangsklemme verbunden. Die Last wird parallel zum zweiten aktiven Schalter (S2) geschaltet. Der Steuereingang des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit der Kathode der Diode (D) verbunden.
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4 zeigt eine Abwandlung von 3. Die Lage von erstem aktiven Schalter (S1) und Diode (D) ist vertauscht. Der aktive Schalter (S1) ist dadurch leichter ansteuerbar. Es ist kein Highside Treiber erforderlich. Nebenbei sei auch hier angemerkt, dass bei 3 zwecks leichterer Ansteuerung auch ein p-Kanal MOSFET einsetzbar ist.
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5 zeigt einen Konverter, bei dem an die positive Eingangsklemme der erste Anschluss der ersten Spule (L1) geschaltet ist. An den zweiten Anschluss der ersten Spule (L1) ist der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) und die Anode der Diode (D) geschaltet. Zwischen Kathode der Diode (D) und dem negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) ist ein Kondensator (C) geschaltet. Zwischen Kathode der Diode (D) und dem positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) ist eine zweite Spule (L2) geschaltet. Der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters ist mit dem negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) und der negativen Eingangsklemme verbunden. Der Steuereingang des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit dem positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) verbunden. Die Last wird parallel zum zweiten aktiven Schalter (S2) geschaltet. Wenn der erste aktive Schalter (S1) leitet, sperrt der zweite aktive Schalter (S2) und umgekehrt. Bei allen anderen Schaltungen sind immer beide Transistoren gleichzeitig leitend.
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6 zeigt einen Konverter, bei dem an die positive Eingangsklemme der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters und die Anode der Diode (D) geschaltet sind. Parallel zur Kathode der Diode (D) und dem negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) ist ein Kondensator geschaltet. An die Kathode der Diode (D) ist auch der erste Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet, an deren zweiten Anschluss der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) geschaltet ist. Der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit dem zweiten Anschluss der ersten Spule (L1), deren erster Anschluss mit dem negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) verbunden ist und der negativen Eingangsklemme verbunden. Die Last wird parallel zum zweiten aktiven Schalter (S2) geschaltet. Der Steuereingang des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit dem negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) verbunden.
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7 zeigt einen Konverter, bei dem an die positive Eingangsklemme der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) und der zweite Anschluss der ersten Spule (L1) geschaltet sind. An den ersten Anschluss der ersten Spule (L1) ist die Kathode der Diode (D) und der erste Anschluss des Kondensators geschaltet. An den zweiten Anschluss des Kondensators (C) sind der negative Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) und der erste Anschluss der zweiten Spule geschaltet, an deren zweiten Anschluss der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) geschaltet ist. Der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit der Anode der Diode (D) und der negativen Eingangsklemme verbunden. Die Last wird parallel zum zweiten aktiven Schalter (S2) geschaltet. Der Steuereingang des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit dem negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) verbunden.
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Der Text wurde so geschrieben, dass die erste Klemme der Spule immer die ist, bei der der Strom hinein fließt; dies hat topologisch unmittelbar keine Bedeutung, erleichtert aber das Verständnis der Schaltung.
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8 zeigt einen Konverter, bei dem an die positive Eingangsklemme die Kathode der zweiten Diode (D2) und der erste Anschluss der ersten Spule (L1) geschaltet sind. An die Anode der zweiten Diode (D2) ist die Kathode der ersten Diode (D1) und der zweite Anschluss des Kondensators (C) geschaltet. An den zweiten Anschluss der ersten Spule (L1) sind der erste Anschluss des Kondensators und der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) angeschlossen. An den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) sind die Kathode der dritten Diode (D3) und der erste Anschluss der zweiten Spule (L2), an deren zweiten Anschluss der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) geschaltet ist, angeschlossen. Der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit der Anode der dritten Diode (D3), der Anode der ersten Diode (D1) und der negativen Klemme der Eingangsspannung verbunden. Die Last wird parallel zum zweiten aktiven Schalter (S2) geschaltet. Der Steuereingang des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit dem negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) verbunden.
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9 ist eine Abwandlung von 8. Die Lage von erstem aktiven Schalter (S1) und dritter Diode (D3) ist vertauscht. Der erste aktive Schalter (S1) ist dadurch leichter ansteuerbar. Es ist kein Highside Treiber erforderlich. Nebenbei sei auch hier angemerkt, dass bei 8 zwecks leichterer Ansteuerung auch ein p-Kanal MOSFET einsetzbar ist.
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In 10 ist die positive Eingangsklemme mit dem positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) verbunden. An den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) sind die Spule (L) und die Kathode der Diode (D) geschaltet. An den zweiten Anschluss der Spule (L) ist der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) geschaltet. Der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit der Anode der Diode (D) und der negativen Eingangsklemme verbunden. Die Last wird parallel zum zweiten aktiven Schalter (S2) geschaltet. Der Steuereingang des zweiten aktiven Schalters (S2) ist mit dem negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) verbunden.
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11 ist eine Abwandlung von 10. Die Lage von erstem aktivem Schalter (S1) und der Diode (D) ist vertauscht. Der erste aktive Schalter (S1) ist dadurch leichter ansteuerbar. Es ist kein Highside Treiber erforderlich. Nebenbei sei auch hier angemerkt, dass bei 10 zwecks leichterer Ansteuerung auch ein p-Kanal MOSFET einsetzbar ist.
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12 zeigt noch die spannungsbegrenzende Stufe, die zwischen Gateanschluss des zweiten aktiven Schalters und dem Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, oder umgekehrt, geschaltet werden muss.
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Die Aufgabe, eine lichtemittierende Diode oder eine Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden, der oder denen eine Diode, insbesondere eine Schottky-Diode zusätzlich in Serie geschaltet sein kann, anzusteuern, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass der zweite aktive Schalter parallel zur lichtemittierenden Diode oder einer Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden, der/denen eine Diode, insbesondere eine Schottky-Diode, zusätzlich in Serie geschaltet sein kann, geschaltet ist, der erste aktive Schalter durch eine Ansteuerschaltung ein- und ausgeschaltet wird und der zweite aktive Schalter synchron zum ersten aktiven Schalter dadurch ein- und ausgeschaltet wird, indem der Steuereingang an einen Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, oder umgekehrt, direkt oder über eine passive spannungsbegrenzende Stufe angeschlossen ist. Weiter kann parallel zum Steuereingang des zweiten aktiven Schalters eine Durchbruchsdiode zur Spannungsbegrenzung geschaltet werden. Ebenso kann parallel zum Steuereingang des zweiten aktiven Schalters eine Durchbruchsdiode geschaltet werden und zwischen dem Steueranschluss des zweiten aktiven Schalters und dem Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem negativen Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, oder umgekehrt, die Kathode einer zweiten Diode geschaltet sein und parallel zur zweiten Diode ein Kondensator geschaltet sein. Parallel zur Eingangsspannung kann um Überspannungen durch die Zuleitung zu vermeiden ein Kondensator geschaltet sein.
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Der Konverter kann so realisiert werden, dass parallel zur Eingangsspannung eine Serienschaltung einer ersten Spule mit dem ersten aktiven Schalter geschaltet ist und parallel zur ersten Spule eine Serienschaltung eines Kondensators und einer Diode geschaltet ist und parallel zur Diode die Serienschaltung einer zweiten Spule und des zweiten Schalters geschaltet ist und als Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, der Knoten zwischen Kathode der Diode, Kondensator und zweiter Spule verwendet wird, oder dass parallel zur Eingangsspannung eine Serienschaltung einer ersten Spule mit einem Kondensator geschaltet ist und parallel zum Kondensator eine Serienschaltung des ersten aktiven Schalters und der Diode geschaltet ist und parallel zur Diode die Serienschaltung einer zweiten Spule und des zweiten Schalters geschaltet ist und als Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, der Knoten zwischen Kathode der Diode, erstem aktiven Schalter und zweiter Spule verwendet wird, oder dass parallel zur Eingangsspannung eine Serienschaltung einer ersten Spule mit einem Kondensator geschaltet ist und parallel zum Kondensator eine Serienschaltung des ersten aktiven Schalters und der Diode geschaltet ist und parallel zur Diode die Serienschaltung einer zweiten Spule und des zweiten Schalters geschaltet ist und als Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, der Knoten zwischen Kathode der Diode, erster Spule, Kondensator und zweiter Spule verwendet wird, oder dass parallel zur Eingangsspannung eine Serienschaltung einer ersten Spule mit dem ersten aktiven Schalter geschaltet ist und parallel zum ersten aktiven Schalter eine Serienschaltung eines Kondensators und einer Diode geschaltet ist und parallel zum Kondensator die Serienschaltung einer zweiten Spule und des zweiten Schalters geschaltet ist und als Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Abschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Einschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, der Knoten zwischen Kathode der Diode, Kondensator und zweiter Spule verwendet wird, oder dass parallel zur Eingangsspannung eine Serienschaltung des ersten aktiven Schalters mit einer ersten Spule geschaltet ist und parallel zum ersten aktiven Schalter eine Serienschaltung einer Diode und eines Kondensators geschaltet ist und parallel zur Serienschaltung des Kondensators mit der ersten Spule die Serienschaltung einer zweiten Spule und des zweiten Schalters geschaltet ist und als Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, der Knoten zwischen erstem aktiven Schalter, Kondensator und erster Spule verwendet wird, oder dass parallel zur Eingangsspannung eine Serienschaltung einer ersten Spule mit der Diode geschaltet ist, parallel zur Diode die Serienschaltung des Kondensators mit einer zweiten Spule und des zweiten Schalters geschaltet ist, parallel zur Serienschaltung von erster Spule mit Kondensator der erste aktive Schalter geschaltet ist und als Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, der Knoten zwischen erstem aktiven Schalter, Kondensator und zweiter Spule verwendet wird, oder dass parallel zur Eingangsspannung eine Serienschaltung einer ersten Spule mit der Diode geschaltet ist, parallel zur Diode die Serienschaltung des Kondensators mit einer zweiten Spule und des zweiten Schalters geschaltet ist, parallel zur Serienschaltung von erster Spule mit Kondensator der erste aktive Schalter geschaltet ist und als Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, der Knoten zwischen erstem aktiven Schalter, Kondensator und zweiter Spule verwendet wird, oder dass parallel zur Eingangsspannung eine Serienschaltung einer ersten Diode mit einer zweiten Diode geschaltet ist und parallel zur zweiten Diode eine Serienschaltung eines Kondensators und einer ersten Spule geschaltet ist und parallel zur Serienschaltung von Kondensator und erster Diode eine Serienschaltung von erstem aktiven Schalter und dritter Diode liegt und parallel zur dritten Diode die Serienschaltung einer zweiten Spule und des zweiten Schalters geschaltet ist und als Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, der Knoten zwischen Kathode der dritten Diode und zweiter Spule verwendet wird, oder dass parallel zur Eingangsspannung eine Serienschaltung einer Diode mit dem ersten aktiven Schalter geschaltet ist und parallel zur Diode die Serienschaltung einer Spule und des zweiten Schalters geschaltet ist und als Knoten der Schaltung, dessen Potential beim Einschalten des ersten aktiven Schalters gegenüber dem zweiten Steueranschluss rasch auf einen positiven Wert ansteigt und beim Abschalten des ersten Schalters wieder rasch gegen Null oder gegen einen negativen Wert absinkt, der Knoten zwischen Kathode der Diode und Spule verwendet wird.
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Weiter gilt, dass die Ansteuerschaltung und die Leistungshalbleiter des Konverters gemeinsam in einer integrierten Schaltung untergebracht sind, oder dass die Ansteuerschaltung des Konverters gemeinsam in einer integrierten Schaltung untergebracht ist.
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Der Strom in der mit dem zweiten aktiven Schalter verbundenen Spule, wird sinnvollerweise stromgeregelt. Weiter gilt aus schaltungstechnischen Erwägungen, dass die Spannung des allfälligen Kondensators des Konverters innerhalb der Taktperiode deutlich schwanken kann.
