DE102014005584A1

DE102014005584A1 - LED-Beleuchtungsvorichtung mit einem Energiespeichermodul sowie Verfahren zum Betreiben der LED-Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102014005584A1
Application number: DE102014005584.1A
Authority: DE
Inventors: Uwe Nieberlein; Jens Jordan
Original assignee: Diehl Aerospace GmbH
Current assignee: Diehl Aerospace GmbH
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: US20150296578A1; CN105050226A; US9370062B2; FR3019963A1; FR3019963B1; DE102014005584B4; CN105050226B

Abstract

LEDs als Leuchtmittel haben gegenüber thermischen Leuchtmitteln, wie zum Beispiel Glühbirnen, den Vorteil einer hohen Lichtausbeute bei einem geringen Energiebedarf und daraus resultierend den Vorteil einer geringen Wärmeentwicklung. Es wird eine LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 für eine Wechselspannungsversorgung 2 mit einer Gleichrichtereinrichtung 5 mit mindestens einer LED-Leuchteinheit 7, wobei die LED-Leuchteinheit 7 eine Mehrzahl von LEDs 10a, b, c, d und eine Schaltanordnung 9 aufweist, wobei die Schaltanordnung 9 zur Verschaltung der LEDs 10a, b, c, d in unterschiedliche Schaltzustände I, II, III ausgebildet ist, wobei die LED-Leuchteinheit 7 in den unterschiedlichen Schaltzuständen I, II, III unterschiedliche Durchlassspannungen aufweist, mit einer Stromsenkeneinrichtung 6 und mit einer Steuereinrichtung 8 zur Ansteuerung der LED-Leuchteinheit 7 und der Stromsenkeneinrichtung 6 in einem Normalbetrieb vorgeschlagen, wobei die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit 7 und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit 7 an einen Momentanwert der Versorgungsspannung 11 und/oder der Wechselspannung angepasst ist, und mit einem Energiespeichermodul 13, wobei das Energiespeichermodul 13 eine Speicherspannung 18 bereitstellt und zur Versorgung der mindestens einen LED-Leuchteinheit 7 ausgebildet ist, und wobei die Steuereinrichtung 8 ausgebildet ist, die LED-Leuchteinheit 7 und die Stromsenkeneinrichtung 6 in einem Speicherbetrieb so anzusteuern, dass die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit 7 und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit 7 an einen Momentanwert der Speicherspannung 18 des Energiespeichermoduls 13 angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine LED-Beleuchtungsvorrichtung für eine Wechselspannungsversorgung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben der LED-Beleuchtungsvorrichtung.
LEDs als Leuchtmittel haben gegenüber thermischen Leuchtmitteln, wie zum Beispiel Glühbirnen, den Vorteil einer hohen Lichtausbeute bei einem geringen Energiebedarf und daraus resultierend den Vorteil einer geringen Wärmeentwicklung. Somit sind LEDs in vielen Bereichen ein idealer Ersatz für thermische Leuchtmittel. Betrachtet man die Beleuchtung von Räumen, insbesondere von Passagierräumen, von Transportmitteln, wie zum Beispiel Flugzeugen, Zügen etc., so kommen neben den genannten Vorteilen noch der geringe Bauraum der LEDs als Vorteil besonders stark zum Tragen.
Der Betrieb von LEDs hat jedoch die Randbedingung, dass diese – im Gegensatz zu thermischen Leuchtmitteln – nicht ohne Anpassungsschaltung durch eine Wechselspannung betrieben werden können, sondern nur in einem sehr begrenzten Gleichspannungsbereich angesteuert werden dürfen. Zum einen muss bei einer LED eine minimale Spannung überschritten werden, um die LED zum Leuchten zu bringen. Zum anderen fließt bei einer zu hohen, anliegenden Spannung zu viel Strom durch die LED, sodass diese ohne aktive Kühlung nach kurzer Zeit ausfällt. Somit ist das Arbeitsfenster in Bezug auf die Spannungshöhe zur Versorgung der LED vergleichsweise eng. Ein unmittelbares Anschließen einer LED an eine Wechselspannungsversorgung ist somit nicht möglich, da aufgrund der sich stark ändernden Spannungswerte ein Betrieb der LED nicht möglich ist.
In den Druckschriften DE 10 2012 006 315 A1 , DE 10 2012 006 316 A1 , DE 10 2012 006 341 A1 beziehungsweise DE 10 2012 006 343 A1 werden LED-Anordnungen beschrieben, welche jeweils eine Mehrzahl von LEDs aufweisen, wobei die LEDs miteinander flexibel verschaltet werden können, sodass die LEDs in ihrer Gesamtheit unterschiedliche Durchlassspannungen realisieren können. Diesen LED-Anordnungen wird eine gleichgerichtete Wechselspannung als Versorgungsspannung zugeführt, wobei eine Steuereinrichtung dafür sorgt, dass die LED-Anordnung einen Schaltungszustand annimmt, der einem aktuellen Spannungswert der Versorgungsspannung entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, die LED-Anordnung mit einer Gleichrichterschaltung, jedoch ohne ein Schaltnetzteil, an einer Wechselspannungsversorgung zu betreiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung für eine Wechselspannungsversorgung vorzuschlagen, welche besonders funktionssicher zu betreiben ist. Diese Aufgabe wird durch eine LED-Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Im Rahmen der Erfindung wird eine LED-Beleuchtungsvorrichtung vorgeschlagen, welche für eine Wechselspannungsversorgung ausgebildet ist. Bei der Wechselspannungsversorgung kann es sich beispielsweise um ein öffentliches Stromnetz mit einer effektiven Netzspannung von 230 Volt und einer Netzfrequenz von 50 Hertz handeln. Besonders bevorzugt weist die Wechselspannungsversorgung eine Effektivspannung zwischen 100 und 150 Volt, insbesondere 115 Volt, und eine Netzfrequenz zwischen 100 Hertz und 800 Hertz, insbesondere zwischen 150 Hertz und 400 Hertz auf. Besonders bevorzugt ist die Wechselspannungsversorgung in einem Flugzeug bereitgestellt. Optional bildet das Flugzeug mit der Wechselspannungsversorgung und der LED-Beleuchtungsvorrichtung einen weiteren Gegenstand der Erfindung.
Die LED-Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Gleichrichtereinrichtung, welche eine Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung in eine gleichgerichtete Versorgungsspannung mit einem Versorgungsstrom gleichrichtet. Bei der Gleichrichtereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Brückenschaltung handeln. Die Wechselspannung ist besonders bevorzugt als eine Sinusspannung ausgebildet, bei alternativen Ausführungsformen kann es sich auch um eine verzerrte Sinusspannung oder um eine andere alternierende Wechselspannung handeln. Die Versorgungsspannung ist besonders bevorzugt als eine gleichgerichtete Versorgungsspannung mit regelmäßig wiederholenden, vorzugsweise sinusförmigen Halbwellen und/oder als pulsierende Gleichspannung ausgebildet.
Die LED-Beleuchtungsvorrichtung umfasst mindestens eine LED-Leuchteinheit, es können jedoch auch mehrere LED-Leuchteinheiten vorgesehen sein. Die, einige oder alle LED-Leuchteinheiten umfassen jeweils eine Mehrzahl von LEDs sowie wahlweise gemeinsam oder jede einzeln eine Schaltanordnung. Die LEDs sind als lichtemittierende Dioden ausgebildet und können einheitlich weiß ausgebildet sein oder verschiedene Farben, insbesondere Rot, Grün und Blau als Lichtfarben ausstrahlen. Insgesamt kann die LED-Leuchteinheit ein weißes Licht oder ein Farblicht, insbesondere Farbmischlicht, ausstrahlen.
Die Schaltanordnung ist ausgebildet, die LEDs in unterschiedlichen Schaltzuständen zu verschalten, wobei die LED-Leuchteinheit in den unterschiedlichen Schaltzuständen unterschiedliche Durchlassspannungen aufweist. Die unterschiedlichen Durchlassspannungen der Schaltzustände werden erreicht, indem die LEDs in Abhängigkeit des Schaltzustandes in Serie beziehungsweise in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden, um die Durchlassspannung zu ändern. Schaltet man beispielsweise zwei LEDs mit jeweils einer Vorwärtsspannung von 3,4 Volt in Serie, so beträgt die gemeinsame Durchlassspannung 6,4 Volt. Schaltet man diese parallel, so beträgt die Durchlassspannung nur 3,4 Volt. Nach dieser Systematik können die LEDs – auch in Teilgruppen – parallel und seriell geschaltet werden, um die unterschiedlichen Durchlassspannungen zu erreichen. Es ist optional ergänzend möglich, dass die Schaltzustände ausgebildet sind, bestimmte Mischfarben der LED-Leuchteinheit zu generieren.
Besonders bevorzugt weist die LED-Leuchteinheit mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, insbesondere mindestens vier unterschiedliche Schaltzustände auf, welche jeweils unterschiedliche Durchlassspannungen der LED-Leuchteinheit haben. Insbesondere ist die LED-Leuchteinheit mit der Schaltanordnung so ausgebildet, wie dies in den Druckschriften DE 10 2012 006 315 A1 , DE 10 2012 006 316 A1 , DE 10 2012 006 341 A1 beziehungsweise DE 10 2012 006 343 A1 der Anmelderin beschrieben ist.
Die LED-Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Stromsenkeneinrichtung, welche zur Steuerung des LED-Stroms durch die LED-Leuchteinheit ausgebildet ist. Schaltungstechnisch betrachtet ist die Stromsenkeneinrichtung in Reihe zu der mindestens einen LED-Leuchteinheit geschalten. An der Reihenschaltung umfassend die Stromsenkeneinrichtung und die LED-Leuchteinheit liegt die Versorgungsspannung, insbesondere die gleichgerichtete Versorgungsspannung, an. Insbesondere ist die Stromsenkeneinrichtung ausgebildet, elektrische Leistung in Wärme umzuwandeln, um den LED-Strom anzupassen.
Die LED-Beleuchtungsvorrichtung umfasst zusätzlich eine Steuereinrichtung, welche zur Ansteuerung der LED-Leuchteinheit, insbesondere der Schaltanordnung der LED-Leuchteinheit, und der Stromsenkeneinrichtung ausgebildet ist. In einem Normalbetrieb werden die LED-Leuchteinheit und die Stromsenkeneinrichtung so angesteuert, dass die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit an einen Momentanwert der Versorgungsspannung und/oder der Wechselspannung sowie optional ergänzend einem Dimmwert für die Helligkeit der LED-Leuchteinheit angepasst sind. Bei dem Momentanwert kann es sich um einen gemessenen Momentanwert oder einen geschätzten Momentanwert handeln.
Die Anpassung des LED-Stroms erfolgt derart, dass der LED-Strom so eingestellt wird, dass der zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms mit dem zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung und/oder mit dem zeitlichen Verlauf der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung synchronisiert ist. Durch die Kontrolle, insbesondere Steuerung oder Regelung, der Stromsenkeneinrichtung kann insbesondere ermöglicht werden, dass ein Leistungsfaktor (power factor) größer als 0,98, vorzugsweise größer als 0,99 für die LED-Beleuchtungsvorrichtung erreicht wird.
Ferner steuert die Steuereinrichtung die LED-Leuchteinheit, insbesondere die Schaltanordnung, so an, dass die Durchlassspannung an den Momentanwert der Versorgungsspannung angepasst ist, sodass die LEDs in ihrem Arbeitsfenster betrieben werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die LED-Leuchteinheit, insbesondere die Schaltanordnung, pro Halbwelle mindestens zwei Mal, vorzugsweise mindestens vier Mal, angesteuert wird, den Schaltzustand und damit die Durchlassspannung zu ändern. Besonders bevorzugt wird eine Führungsgröße für die Steuereinrichtung an der Versorgungsspannung und/oder an der Wechselspannung abgegriffen.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die LED-Beleuchtungsvorrichtung ein Energiespeichermodul aufweist, wobei das Energiespeichermodul zur Versorgung der mindestens einen LED-Leuchteinheit ausgebildet ist und eine Speicherspannung für einen Speicherbetrieb bereitstellt. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, die LED-Leuchteinheit und die Stromsenkeneinrichtung in dem Speicherbetrieb so anzusteuern, dass die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit an einen Momentanwert der Speicherspannung des Energiespeichermoduls angepasst sind. Somit wird im Speicherbetrieb statt der Versorgungsspannung die Speicherspannung des Energiespeichermoduls zur Versorgung der mindestens einen LED-Leuchteinheit verwendet und die Stromsenkeneinrichtung und die LED-Leuchteinheit, insbesondere die Schaltanordnung, in Abhängigkeit der Speicherspannung von der Steuereinrichtung kontrolliert.
Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass es gerade bei Wechselspannungsversorgungen in Mobilen, insbesondere in Flugzeugen, zu Netzaussetzern kommen kann, welche von Passagieren als ein Flackern der LED-Beleuchtungsvorrichtung wahrgenommen werden kann. Ein derartiges Flackern stellt nicht nur eine Störung z. B. beim Lesen dar, sondern führt auch zu einer Unsicherheit bei den Passagieren mit Blick auf die technische Zuverlässigkeit des Mobils, insbesondere des Flugzeugs. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, das Energiespeichermodul vorzusehen, welches ausgebildet ist, derartige Netzaussetzer zu überbrücken.
Allerdings soll die Überbrückung der Netzaussetzer nicht zu einer Betriebsart der LED-Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere der LED-Leuchteinheit führen, die anders geartet ist als im Normalbetrieb. Zudem ist gerade bei Energiespeichermodulen mit kleinen Kapazitäten und/oder bei längeren Netzaussetzern damit zu rechnen, dass die Speicherspannung im Speicherbetrieb mit der Zeit sinkt, sodass es aufgrund der sinkenden Speicherspannung wieder zu Beleuchtungsinhomogenitäten der LED-Beleuchtungsvorrichtung kommen kann. Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die LED-Leuchteinheit, insbesondere die Schaltanordnung, sowie die Stromsenkeneinrichtung so anzusteuern, dass auch im Speicherbetrieb an die Speicherspannung angepasste Betriebszustände vorherrschen.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung ausgebildet, die LED-Leuchteinheit im Speicherbetrieb derart anzusteuern, dass ein Schaltungszustand mit einer Durchlassspannung aktiviert ist, insbesondere stets aktiviert ist, wobei die Durchlassspannung des gewählten Schaltungszustandes kleiner oder gleich zu dem Momentanwert der Speicherspannung ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die LEDs der LED-Leuchteinheit nicht mit einem Sinken der Speicherspannung dunkler werden.
Besonders bevorzugt ist sogar vorgesehen, dass stets der Schaltungszustand aktiviert ist, der die höchste Durchlassspannung aufweist, welche kleiner oder gleich zu dem Momentanwert der Speicherspannung ist.
Während im Normalbetrieb aufgrund der schnellen Änderung der Versorgungsspannung ein für das menschliche Auge unsichtbarer Wechsel der Schaltzustände erfolgt, gilt es bei dem Speicherbetrieb zu berücksichtigen, dass die Schaltzustände so langsam wechseln, dass der Wechsel vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Um diese Wahrnehmung zu verhindern, wird ergänzend vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, für einen konstanten oder quasikonstanten Momentanwert der Speicherspannung wechselnde Schaltungszustände anzusteuern, wobei jeder der Schaltzustände eine Durchlassspannung aufweist, welche kleiner als der Momentanwert der Speicherspannung ist. Durch die Variation der Schaltzustände bei gleicher Speicherspannung wird erreicht, dass unterschiedliches LEDs der LED-Beleuchtungsvorrichtung aktiviert werden und somit nicht nur der Bereich der LED-Beleuchtungsvorrichtung von LEDs eines einzigen Schaltungszustands sondern eine Vielzahl von LEDs und somit weite Bereiche der LED-Beleuchtungsvorrichtung für das menschliche Auge zeitgleich beleuchtet werden. Besonders bevorzugt werden die Schaltungszustände mit einer Frequenz größer als 30 Hertz, insbesondere größer als 60 Hertz, gewechselt. Diese Frequenz bildet eine Grenze für eine mögliche Erfassung durch das menschliche Auge, so dass das Auge nicht mehr in der Lage ist, die höheren Frequenzen zeitlich aufzulösen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann die Stromsenkeneinrichtung im Speicherbetrieb derart kontrolliert werden, dass die LED-Leuchteinheit mit einem LED-Strom versorgt wird, der basierend auf einem Hellligkeitsvorgabewert ausgewählt ist. Die Kontrolle erfolgt über die Steuereinrichtung. Durch die Weiterbildung wird erreicht, dass der LED-Strom nicht nur an den Momentanwert der Speicherspannung, sondern zudem an eine Vorgabe einer Helligkeit der LED-Leuchteinheit angepasst wird. Beispielsweise kann der Helligkeitsvorgabewert in Prozentwerten wie z. B. in Zehnerprozentschritten mit 100%, 90% etc. angegeben werden. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, den Helligkeitsvorgabewert zu interpretieren und die Stromsenkeneinrichtung entsprechend anzusteuern. Die Interpretation kann beispielsweise über eine Tabelle erfolgen, in der alle Helligkeitsvorgabewerte, die Schaltzustände, die Speicherspannung und der LED-Strom angegeben ist. Alternativ kann auch eine analytische Formel oder eine Funktion zur Bestimmung des LED-Stroms zum Einsatz kommen.
Besonders bevorzugt sind die Helligkeitsvorgabewerte unterschiedlichen Dimmwerten für die LED-Leuchteinheit zugeordnet. Insbesondere können mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5 und im speziellen mindestens 8 Helligkeitsvorgabewerte und/oder Dimmwerte eingestellt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung ausgebildet, einen Helligkeitsstatuswert im Normalbetrieb der LED-Beleuchtungsvorrichtung und/oder der LED-Leuchteinheit aufzunehmen. Der Helligkeitsstatuswert kann als ein IST-Wert oder als ein SOLL-Wert ausgebildet sein. Die Aufnahme des Helligkeitsstatuswert kann z. B. durch eine Speicherung des Helligkeitsstatuswerts in einem Speicher der Steuereinrichtung erzielt werden. Ferner ist die Steuereinrichtung ausgebildet, nach dem Wechsel in den Speicherbetrieb, den Helligkeitsvorgabewert an den Helligkeitsstatuswert anzupassen, so dass die Helligkeit der LED-Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere der LED-Leuchteinheit vorzugsweise konstant oder – wenn technisch bedingt – möglichst ähnlich weiterzuführen. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass sich die Helligkeit der LED-Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere der LED-Leuchteinheit nicht oder nur wenig ändert.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Energiespeichermodul einen Energiespeicher auf, welcher besonders bevorzugt als ein Speicherkondensator ausgebildet ist. Der Speicherkondensator kann einen oder mehrere Einzelkondensatoren aufweisen. Der Speicherkondensator ist in der Lage, elektrische Energie zu speichern und wieder freizugeben und ist daher geeignet, in für den Speicherbetrieb Energie bereitzustellen.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist das Energiespeichermodul als ein Zweipol ausgebildet, wobei der Zweipol parallel zu der mindestens einen LED-Leuchteinheit und der Stromsenkeneinrichtung verschaltet ist. Damit ist der Zweipol beziehungsweise das Energiespeichermodul mit der Speicherspannung parallel zur gleichgerichteten Versorgungsspannung angeordnet.
Die Aufladung des Energiespeichermoduls verläuft im Normalbetrieb der LED-Beleuchtungsvorrichtung. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, dass das Energiespeichermodul einen Ladezweig aufweist, wobei der Ladezweig eine Ladeeinheit und einen beziehungsweise den Energiespeicher aufweist. Der Energiespeicher wird in dem Normalbetrieb durch die Versorgungsspannung geladen. Die Ladeeinheit kann z. B. als eine Reihenschaltung von einem Widerstand und einer Diode oder einem Thyristor ausgebildet sein.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Energiespeichermodul eine Entladeschalteinrichtung aufweist, wobei die Entladeschalteinrichtung die Ladeeinheit und die Diodeneinrichtung überbrückt. Mit einem Schließen der Entladeschalteinrichtung wird somit der Energiespeicher parallel zu dem Ausgang der Gleichrichtereinrichtung und/oder zu der mindestens einen LED-Leuchteinheit und der Stromsenkeneinrichtung insbesondere niederohmig geschalten.
Optional kann vorgesehen sein, dass eine Trennschalteinrichtung vorgesehen ist, welche ausgebildet ist, die Versorgungsspannung von der LED-Leuchteinheit und der Stromsenkeneinrichtung zu trennen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die LED-Beleuchtungsvorrichtung eine Kurzschlussschalteinrichtung auf, welche zur Überbrückung der mindestens einen LED-Leuchteinheit verschaltet ist. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, in dem Speicherbetrieb bei einem Unterschreiten der Speicherspannung von der niedrigsten Durchlassspannung der LED-Schalteinheit die Kurzschlussschalteinrichtung zu schließen und/oder die Entladeschalteinrichtung zu öffnen. Auf diese Weise wird der Energiespeicher von der LED-Leuchteinheit getrennt, sodass bei einem Unterschreiten der minimalen Durchlassspannung die LED-Leuchteinheit deaktiviert wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben der LED-Beleuchtungsvorrichtung wie diese zuvor beschrieben wurde beziehungsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Normalbetrieb die Steuereinrichtung die LED-Leuchteinheit und die Stromsenkeneinrichtung ansteuert, sodass die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit an einen Momentanwert der Versorgungsspannung und/oder der Wechselspannung angepasst ist und in einem Speicherbetrieb die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit an einen Momentanwert der Speicherspannung angepasst ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figur. Dabei zeigt:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer LED-Beleuchtungsvorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 a, b, c ein schematisches Blockdiagramm der LED-Schalteinheit 7 als ein Detail der LED-Beleuchtungsvorrichtung in der 1;
3 ein schematisches Diagramm des Spannungsverlaufs einer Halbwelle der Versorgungsspannung zur Erklärung der Ansteuerung der Schaltzustände im Normalbetrieb der LED-Beleuchtungsvorrichtung in der 1;
4 ein schematisches Diagramm des Spannungsverlaufs der Speicherspannung zur Erklärung der Ansteuerung der Schaltzustände im Speicherbetrieb der LED-Beleuchtungsvorrichtung in der 1.
1 zeigt in einem schematischen Blockdiagramm eine LED-Beleuchtungsvorrichtung 1, welche in einem Flugzeug als Passagierraumbeleuchtung anordbar oder angeordnet ist, als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Flugzeug stellt eine Wechselspannungsversorgung 2 mit einer Wechselspannung zur Verfügung. Die effektive Spannung der Wechselspannung ist beispielsweise 115 Volt, die Frequenz der Wechselspannungsversorgung liegt zwischen 150 Hertz und 400 Hertz.
Nach einer Anschlussschnittstelle 3 folgt optional ein Netzfilter 4, welcher ausgebildet ist, Störungen, welche in die Wechselspannungsversorgung 2 zurückgekoppelt werden könnten, zu filtern.
Dem Netzfilter 4 ist ein Gleichrichter 5 nachgeschaltet, welcher ausgebildet ist, die anliegende Wechselspannung beziehungsweise die gefilterte Wechselspannung in eine gleichgerichtete Versorgungsspannung umzusetzen. Der Gleichrichter 5 ist beispielsweise als ein Brückengleichrichter ausgebildet. Die Versorgungsspannung ist als eine pulsierende Gleichspannung mit Halbwellen, insbesondere mit der zweifachen Frequenz der Wechselspannungsversorgung 2, ausgebildet. Z. B. ist die Versorgungsspannung durch eine Aneinanderreihung von Sinushalbwellen mit der zweifachen Frequenz der Wechselspannungsversorgung ausgebildet Die von dem Gleichrichter 5 bereitgestellte Versorgungsspannung beziehungsweise der entsprechende Versorgungsstrom wird nachfolgend an eine Stromsenkeneinrichtung 6 – auch elektronische Last genannt – weitergeleitet. Die Stromsenkeneinrichtung 6 ist ausgebildet, geregelt oder gesteuert Strom und damit Leistung durch Umwandlung in Wärme aus dem Schaltkreis zu entnehmen. Ausgehend von der Stromsenkeneinrichtung 6 werden eine LED-Spannung und ein LED-Strom an eine LED-Leuchteinheit 7 mit einer Mehrzahl von LEDs übergeben.
Die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst zudem eine Steuereinrichtung 8, welche wie hier gezeigt einteilig oder alternativ mehrteilig ausgebildet sein kann und welche mindestens zur Ansteuerung der LED-Leuchteinheit 7 und der Stromsenkeneinrichtung 6 ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung 8 kann zum Beispiel als ein programmierbarer Mikrocontroller ausgebildet sein.
Als ein Eingangssignal erhält die Steuereinrichtung 8 die Versorgungsspannung oder die Wechselspannung oder ein dazu äquivalentes Signal. Die LED-Leuchteinheit 7 ist über die Steuereinrichtung 8 in unterschiedlichen Schaltungszuständen schaltbar, um auf unterschiedliche Amplituden der Versorgungsspannung reagieren zu können.
Die 2a zeigt die LED-Leuchteinheit 7 mit einer Schaltanordnung 9 in einer stark schematisierten Darstellung. Die LED-Leuchteinheit 7 umfasst einen Eingang E und einen Ausgang A beziehungsweise einen ersten und einen zweiten Pol, über welche die LED-Leuchteinheit 7 an die in der 1 dargestellte Spannungsversorgung angeschlossen wird.
Die LED-Leuchteinheit 7 umfasst in diesem Beispiel vier LED-Teilgruppen 10a, b, c, d wobei jede LED-Teilgruppe 10a, b, c, d mindestens eine LED aufweist. Insbesondere weist jede LED-Teilgruppe 10a, b, c, d die gleiche Durchlassspannung (auch Vorwärtsspannung genannt) auf. Die LEDs in den LED-Teilgruppen 10a, b, c, d können – wie symbolisch in den 2 a, b, c dargestellt – in jeder der LED-Teilgruppen 10a, b, c, d seriell (beziehungsweise in Reihe) zueinander geschaltet sein. Bei abgewandelten Ausführungsbeispielen können die LEDs in den LED-Teilgruppen 10a, b, c, d auch parallel, seriell oder parallel und seriell gemischt zueinander verschaltet sein. In diesem Ausführungsbeispiel weist jede LED-Teilgruppe 10a, b, c, d die gleiche Durchlassspannung auf. Die vier LED-Teilgruppen 10a, b, c, d sind in dem in der 2a gezeigten ersten Schaltungszustand I der LED-Leuchteinheit 7 elektrisch parallel zueinander angeordnet, sodass die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit 7 der Durchlassspannung einer der LED-Teilgruppen 10a, b, c, d entspricht.
In der 2b ist ein zweiter Schaltungszustand II dargestellt, wobei die LED-Teilgruppen 10a, b, c, d in der LED-Leuchteinheit 7 nur zum Teil elektrisch seriell (in Reihe) miteinander verbunden sind. Beispielsweise ist vorgesehen, dass in der ersten Gruppe die LED-Teilgruppen 10a, b zueinander parallel angeordnet sind und in der zweiten Gruppe die LED-Teilgruppen 10c, d ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind, jedoch die beiden Gruppen zueinander seriell angeordnet sind. In dem Schaltungszustand II entspricht die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit 7 nun der zweifachen Durchlassspannung einer der LED-Teilgruppen 10a, b, c, d.
In der 2c ist ein dritter Schaltungszustand III dargestellt, wobei nun alle vier LED-Teilgruppen 10a, b, c, d zueinander elektrisch seriell (in Reihe) angeordnet sind. Die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit 7 entspricht nun der vierfachen Durchlassspannung einer der LED-Teilgruppen 10a, b, c, d.
Die Schaltungsanordnung 9 ist ausgebildet, die LED-Leuchteinheit 7 in die unterschiedlichen Schaltungszustände I, II, III zu schalten. Eine entsprechende Schaltungsanordnung 9 für diese Art der Umschaltung lässt sich zum Beispiel mit Hilfe von Dioden und Transistoren realisieren.
Die Art der Umschaltung auf verschiedene Schaltungszustände ist jedoch nicht auf das beschriebene Beispiel begrenzt, sondern kann auch durch andere Schaltungsanordnungen erreicht werden, wie zum Beispiel die in der Einleitung genannten LED-Beleuchtungsvorrichtungen. Es ist auch möglich, dass in den Schaltungszuständen die LED-Teilgruppen 10a, b, c, d deaktiviert werden. Auch ist es möglich, dass durch LED-Teilgruppen mit unterschiedlichen Farben ein Mischlicht erzeugt wird.
In der 3 ist stark schematisiert eine Halbwelle der Versorgungsspannung 11 zu erkennen, wobei dargestellt ist, dass die Schaltungszustände I, II, III stets so gewählt sind, dass die Durchlassspannung kleiner ist als ein Momentanwert der Versorgungsspannung 11. Auf der anderen Seite wird die LED-Leuchteinheit 7 immer auf den Schaltungszustand gesetzt, der die maximale Durchlassspannung hat, um Leistungsverluste zu minimieren.
Die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 weist zudem eine Kurzschlussschalteinrichtung 12 zur Überbrückung der LED-Leuchteinheit 7 auf, wobei die Kurzschlusseinrichtung 12 aktiviert wird, wenn der Momentanwert der Versorgungsspannung 11 kleiner als die Durchlassspannung des Schaltzustandes mit der minimalen Durchlassspannung ist. Somit wird am Anfang und am Ende der Halbwelle die Kurzschlussschalteinrichtung 12 aktiviert.
Ohne weitere Maßnahmen würde der LED-Strom und daraus resultierend der Versorgungsstrom und letztlich der Netzstrom aufgrund der Umschaltvorgänge in der LED-Leuchteinheit 7 zu einem Netzstromverlauf führen, welcher durch Inhomogenitäten und Zacken geprägt ist. Um jedoch einen hohen Leistungsfaktor von größer als 0,99 zu erreichen, steuert die Steuereinrichtung 8 die Stromsenkeneinrichtung 6 so an, dass der Versorgungsstrom und damit der Netzstrom synchron zu der Versorgungsspannung beziehungsweise synchron zu der Wechselspannung bzw. Netzspannung verläuft. Insbesondere wird im Normalbetrieb bei einer geschlossenen Kurzschlussschalteinrichtung 12 die Stromsenkeneinrichtung 6 angesteuert, Strom und somit Leistung in Wärme umzuwandeln, um den Leistungsfaktor hoch zu halten.
Die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 weist zudem ein Energiespeichermodul 13 auf, welches elektrisch parallel zu der Stromsenkeneinrichtung 6 und der LED-Leuchteinheit 7 geschalten ist. Das Energiespeichermodul 13 weist einen Energiespeicher 14, und eine Ladeeinheit 16 auf. In einem Normalbetrieb, wenn über die Anschlussschnittstelle 3 eine Wechselspannung von der Wechselspannungsversorgung 2 anliegt, wird der Energiespeicher 14 über die Ladeeinheit 16 aufgeladen. Die Ladeeinheit 16 kann z. B. als eine Reihenschaltung von einem Widerstand und einer Diode ausgebildet sein.
Elektrisch parallel zu der Ladeeinheit 16 ist eine Entladeschalteinrichtung 17 angeordnet, welche als ein Bypass über die Ladeeinheit 16 ausgebildet ist. Für den Fall, dass die Wechselspannungsversorgung 2 ausfällt, wird die Entladeschalteinrichtung 17 geschlossen und der Energiespeicher 14 bildet mit einer Speicherspannung die Energieversorgung für die LED-Leuchteinheit 7. Das Umschalten der Entladeschalteinrichtung 16 wird durch die Steuereinrichtung 8 gesteuert. Damit ist eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung für die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 geschaffen.
Bei einem kleinen Energiespeicher 14 oder längeren Ausfallzeiten der Wechselspannungsversorgung 2 ist zu erwarten, dass die Speicherspannung 18 des Energiespeichermoduls 13 mit der Zeit sinkt. Aus diesem Grund ist die Steuereinrichtung 8 ausgebildet, die Schaltzustände I, II, III dem Momentanwert der Speicherspannung 18 anzupassen, wie dies in der 4 dargestellt ist. So wird – ähnlich wie bei der Versorgung mit der Wechselspannungsversorgung – der Schaltzustand gewählt, welcher kleiner als der Momentanwert der Speicherspannung ist, jedoch die größte Durchlassspannung aufweist.
Sobald die Speicherspannung auf einen Spannungswert fällt, welcher kleiner als die kleinste Durchlassspannung bei allen Schaltzuständen ist, wird die Kurzschlussschalteinrichtung 12 geschlossen und zudem die Entladeschalteinrichtung 17 geöffnet, um ein Glimmen der LEDs in der LED-Schalteinheit 7 zu vermeiden.
In einem Dimmbetrieb der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 kann die Stromsenkeneinrichtung 6 von der Steuereinrichtung 8 so angesteuert werden, dass der LED-Strom reduziert wird, um die LEDs der LED-Leuchteinheit 7 zu dimmen. Diese Funktion wird z. B. zur Abdunklung einer Passagierkabine eingesetzt. Beispielsweise kann ein Widerstandswert in der Stromsenkeneinrichtung 6 heraufgesetzt werden, um den LED-Strom zu begrenzen. Der Dimmwert in dem Normalbetrieb kann beispielsweise in Prozent zu einer Maximalhelligkeit ausgedrückt werden, also zum Beispiel 100%, 90%, 80% etc. Die Prozentangaben können sich dabei auf die aufgenommene Leistung der LED-Leuchteinheit 7 beziehen oder auf beliebige Einheiten bezogen sein. Die Dimmwerte definieren damit einen Helligkeitsstatuswert der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 in dem Normalbetrieb. Der Helligkeitsstatuswert kann dabei als eine Ist-Größe der Helligkeit, zum Beispiel eine gemessene Größe, oder eine Soll-Größe, somit ein Steuerwert, sein.
Die Steuereinrichtung 8 ist ausgebildet, den Helligkeitsstatuswert aus dem Normalbetrieb zu speichern oder zu halten, sodass dieser bei einem Wechsel zwischen dem Normalbetrieb in den Speicherbetrieb zur Verfügung steht. Zudem ist die Steuereinrichtung 8 ausgebildet, im Speicherbetrieb den Helligkeitsvorgabewert, also einen Dimmwert für den Speicherbetrieb, an den Helligkeitsstatuswert anzupassen, sodass die Helligkeit der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 weitergeführt ist. Besonders bevorzugt wird die Helligkeit konstant weitergeführt, es kann jedoch technisch bedingt sein, die Helligkeit möglichst gleich nachzuführen. Die Anpassung der Helligkeit an den Helligkeitsvorgabewert im Speicherbetrieb erfolgt durch Ansteuerung der Stromsenkeneinrichtung 7. Mit der Übergabe des Helligkeitsstatuswerts wird somit erreicht, dass bei einem Wechsel zwischen dem Normalbetrieb und dem Speicherbetrieb die Dimmung der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 konstant bleibt. Optional ergänzend kann vorgesehen sein, dass ein Helligkeitsstatuswert im Speicherbetrieb oder der Helligkeitsstatuswert weiter gespeichert oder gehalten wird, wenn die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 von dem Speicherbetrieb in den Normalbetrieb umgeschaltet wird, sodass die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 in dem Normalbetrieb gemäß dem Helligkeitsstatuswert angesteuert wird.
In dem Speicherbetrieb kann vorgesehen sein, dass mehrere Schaltzustände mit den gleichen Durchlassspannungen gebildet werden, wobei die Schaltzustände mit den gleichen Durchlassspannungen als Variationen abwechselnd angesteuert werden, um ein selektives Aufleuchten von einzelnen angesteuerten LEDs der LED-Schalteinheit 7 zu vermeiden. Bevorzugt erfolgen die Änderungen der Schaltzustände mit einer Frequenz von größer als 30 Hertz, um diese für das menschliche Auge unsichtbar erscheinen zu lassen.
Für den Fall, dass die Speicherspannung 18 die niedrigste Durchlassspannung der verschiedenen Schaltzustände I, II, III unterschreitet, wird die Entladeschalteinrichtung 17 und optional ergänzend die Kurzschlussschalteinrichtung 12 geschlossen, um den Energiespeicher 14 nicht vollständig zu entladen.
Bezugszeichenliste

1: LED-Beleuchtungsvorrichtung
2: Wechselspannungsversorgung
3: Anschlussschnittstelle
4: Netzfilter
5: Gleichrichter
6: Stromsenkeneinrichtung
7: LED-Leuchteinheit
8: Steuereinrichtung
9: Schaltanordnung
10a, b, c, d: LED-Teilgruppen
11: Versorgungsspannung
12: Kurzschlussschalteinrichtung
13: Energiespeichermodul
14: Energiespeicher
15: leer
16: Ladeeinheit
17: Entladeschalteinrichtung
18: Speicherspannung
A: Ausgang
E: Eingang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012006315 A1 [0004, 0010]
DE 102012006316 A1 [0004, 0010]
DE 102012006341 A1 [0004, 0010]
DE 102012006343 A1 [0004, 0010]

Claims

LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) für eine Wechselspannungsversorgung (2) mit einer Gleichrichtereinrichtung (5) zur Erzeugung einer gleichgerichteten Versorgungsspannung (11) aus einer Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (2), mit mindestens einer LED-Leuchteinheit (7), wobei die LED-Leuchteinheit (7) eine Mehrzahl von LEDs (10a, b, c, d) und eine Schaltanordnung (9) aufweist, wobei die Schaltanordnung (9) zur Verschaltung der LEDs (10a, b, c, d) in unterschiedliche Schaltzustände (I, II, III) ausgebildet ist, wobei die LED-Leuchteinheit (7) in den unterschiedlichen Schaltzuständen (I, II, III) unterschiedliche Durchlassspannungen aufweist, mit einer Stromsenkeneinrichtung (6) zur Steuerung des LED-Stroms durch die LED-Leuchteinheit (7), wobei die Stromsenkeneinrichtung (6) in Reihe zu der mindestens einen LED-Leuchteinheit (7) geschalten ist, und wobei an der Stromsenkeneinrichtung (6) in Reihe mit der Leuchteinheit (7) die Versorgungsspannung (11) anliegt, mit einer Steuereinrichtung (8) zur Ansteuerung der LED-Leuchteinheit (7) und der Stromsenkeneinrichtung (6) in einem Normalbetrieb, so dass die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit (7) und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit (7) an einen Momentanwert der Versorgungsspannung (11) und/oder der Wechselspannung angepasst ist, gekennzeichnet durch eine Energiespeichermodul (13), wobei das Energiespeichermodul (13) eine Speicherspannung (18) bereitstellt und zur Versorgung der mindestens einen LED-Leuchteinheit (7) ausgebildet ist, und wobei die Steuereinrichtung (8) ausgebildet ist, die LED-Leuchteinheit (7) und die Stromsenkeneinrichtung (6) in einem Speicherbetrieb so anzusteuern, dass die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit (7) und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit (7) an einen Momentanwert der Speicherspannung (18) des Energiespeichermoduls (13) angepasst ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicherbetrieb die Steuereinrichtung (8) die LED-Leuchteinheit (7) so ansteuert, dass ein Schaltungszustand (I, II, III) mit einer Durchlassspannung aktiviert ist, wobei die Durchlassspannung kleiner oder gleich zu dem Momentanwert der Speicherspannung (18) ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungszustand (I, II, III) aktiviert ist, der die höchste Durchlassspannung aufweist, welche kleiner oder gleich zu dem Momentanwert der Speicherspannung (18) ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) ausgebildet ist, im Speicherbetrieb zu einem Wert der Speicherspannung (18) wechselnde Schaltungszustände (I, II, III) mit gleicher Durchgangsspannung anzusteuern.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) ausgebildet ist, die Stromsenkeneinrichtung (6) in dem Speicherbetrieb so anzusteuern, dass die LED-Leuchteinheit (7) mit einem LED-Strom gemäß einem Helligkeitsvorgabewert versorgt ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Helligkeitsvorgabewert eine Mehrzahl von unterschiedlichen Dimmwerten einnehmen kann.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet die Steuereinrichtung (8) ausgebildet ist, im Normalbetrieb einen Helligkeitsstatuswert aufzunehmen und nach dem Wechsel in den Speicherbetrieb den Helligkeitsvorgabewert an den Helligkeitsstatuswert anzupassen, so dass die Helligkeit der LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) weitergeführt ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul (13) einen Energiespeicher (13) aufweist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul (13) als ein Zweipol ausgebildet ist, welcher parallel zu der mindestens einen LED-Leuchteinheit (7) und der Stromsenkeneinrichtung (6) verschaltet ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul (13) einen Ladezweig aufweist, wobei der Ladezweig eine Ladeeinheit (16) und einen oder den Energiespeicher (14) aufweist, so dass der Energiespeicher (14) in dem Normalbetrieb durch die Versorgungsspannung (11) geladen werden kann.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul (13) eine Entladeschalteinrichtung (17) aufweist, wobei die Entladeschalteinrichtung (17) die Ladeeinheit (16) (15) überbrückt.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kurzschlusseinrichtung (12) zur Überbrückung der mindestens einen LED-Leuchteinheit (7), wobei die Steuereinrichtung (8) ausgebildet ist, in dem Speicherbetrieb bei einem Unterschreiten der Speicherspannung (18) von der niedrigsten Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit (7) die Kurzschlusseinrichtung (12) zu schließen und/oder die Entladeschalteinrichtung (17) zu öffnen.
Verfahren zum Betreiben der LED-Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Normalbetrieb die Steuereinrichtung (8) die LED-Leuchteinheit (7) und die Stromsenkeneinrichtung (6) ansteuert, sodass die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit (7) und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit (7) an einen Momentanwert der Versorgungsspannung (11) und/oder der Wechselspannung angepasst ist und in einem Speicherbetrieb die Durchlassspannung der LED-Leuchteinheit (7) und der LED-Strom durch die LED-Leuchteinheit (7) an einen Momentanwert der Speicherspannung (18) angepasst ist.