DE102014104548A1

DE102014104548A1 - Schaltung zur Ansteuerung von einer oder mehreren LEDs mit gesteuertem Kompensationsglied

Info

Publication number: DE102014104548A1
Application number: DE102014104548.3A
Authority: DE
Inventors: Dieter Nietfeld
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Schaltung (100) zur Ansteuerung einer Last (20) mit einer oder mehreren LEDs, wobei die Schaltung aufweist: – einen Gleichspannungswandler (10) zur Spannungsversorgung der Last (20), – einen Regler (40) zur laststromabhängigen Beeinflussung des Gleichspannungswandlers (10) mit einem Ist-Wert-Eingang (41), einem Soll-Wert-Eingang (42) und einem Kompensationseingang (43) und einem Reglerausgang (44), – ein Kompensationsglied (50), das an den Kompensationseingang (43) des Reglers (40) verschaltet ist, wobei die Schaltung (100) weiterhin – eine Steuerleitung (70) an oder in das Kompensationsglied (50) aufweist, mittels welcher ein Arbeitspunkt des Kompensationsglieds (50) durch Anlegen eines Steuerpotentials Vcomp an die Steuerleitung (70) steuerbar ist. Verfahren zur Ansteuerung einer Last (20) mit einer oder mehreren LEDs, wobei die Last (20) mittels eines Gleichspannungswandlers (10) mit Spannung versorgt wird, der Gleichspannungswandler (10) in Abhängigkeit eines Laststroms mittels eines Reglers (40) beeinflusst wird und über ein Kompensationsglied (50) das Regelverhalten des Reglers (40) stabilisiert wird, wobei folgender Schritt durchgeführt wird: – Beeinflussen eines Arbeitspunkts des Kompensationsglieds (50) mittels Anlegens eines Steuerpotentials Vcomp an eine an oder in das Kompensationsglied (50) verschaltete Steuerleitung (70).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung einer Last mit einer oder mehreren LEDs, bei denen ein Regler mit einem Kompensationsglied verwendet werden.
In der DE 102 36 872 A1 ist ein Verfahren beschrieben, wie LEDs in einem Regelkreis gedimmt werden. Üblicherweise erfolgt bei LED-Scheinwerfern die Regelung des LED-Stroms größtenteils mittels Schaltreglern. Die Schaltregler haben an ihrem Ausgang Speicher- bzw. Filterelemente zur Glättung des Stroms bzw. der Spannung sowie zur Reduzierung von elektromagnetischer Ausstrahlung. Diese Speicher- bzw. Filterelemente bilden mit dem differentiellen Widerstand der angeschlossenen LEDs eine Polstelle. Aus der Reglungstechnik ist bekannt, dass Regler ein „trägeres“ Verhalten aufweisen müssen damit es nicht zu Schwingungen oder Überschreitungen der Ausgangsgröße, hier der LED-Strom, kommt, um nicht die angeschlossenen Lasten, hier LEDs, zu beschädigen. Bode-Diagramme oder Impulsverhalten des Regelkreises geben Aufschluss, ob die Regelung stabil ist. Die Regler-Bausteine haben aus diesen technischen Gründen ein Kompensationsglied mit hauptsächlich integralem Regelverhalten und Pol-Stellen, die niedriger liegen als die der angeschlossenen Last mit den Speicher- bzw. Filterelementen. In der DE 102 36 872 A1 besteht ein solches Kompensationsglied mit hauptsächlich integralem Regelverhalten und Pol-Stellen um üblicherweise ca. 1KHz aus R₂ und C₂. Um dennoch bei PWM-Betrieb durch den dortigen Schalter T₃ ein gutes Impulsverhalten, das heißt einen annähernd rechteckigen Verlauf des LED-Stroms bei dem durch die PWM erzeugten „an/aus/an/...“-Verhalten zu bewirken, wird das Kompensationsglied synchron mit dem Schalten des Schalters T₃ vom Fehlerverstärker durch einen Schalter T₂ entkoppelt, während der LED-Strom im PWM-Zustand „aus“ abgestellt werden soll, und wieder zugeschaltet, wenn der LED-Strom im PWM-Zustand „an“ fließen soll. Das heißt, dass der Regler in der „LED aus Phase“ sozusagen eingefroren wird und wieder mit dem zuletzt eingestellten Wert beim Verlassen der „Ein-Phase“ startet. Der zuletzt eingestellt Wert dieser „Ein-Phase“ ist ein eingeschwungener Zustand (Nennbetrieb) des Schaltreglers da der PWM-Betrieb (üblicherweise 250Hz) gegenüber der Frequenz des Reglers (üblicherweise 400KHz) sehr niedrig ist.
In der DE 10 2006 031 679 A1 ist ein Verfahren beschrieben, wie LEDs in einem Array kurzgeschlossen bzw. gedimmt werden, sog. Kurzschlussdimmung. Diese Art der Ansteuerung ist erstrebenswert, da hiermit in einem LED-Strang einzelne LEDs ansteuerbar sind.
Der Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, die Ansteuerung von LEDs zu verbessern. Die Ansteuerung soll z.B. hinsichtlich der Reaktionszeit verbessert werden, insbesondere für den Fall, dass man eine PWM-Dimmung mit wenigen Leistungsbauteilen verwenden möchte, oder für den Fall, dass die erstrebenswerte Kurzschlussdimmung einzelner LEDs durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe insbesondere gelöst durch eine Schaltung zur Ansteuerung einer Last mit einer oder mehreren LEDs, wobei die Schaltung aufweist:

– einen Gleichspannungswandler zur Spannungsversorgung der Last,
– einen Regler zur laststromabhängigen Beeinflussung des Gleichspannungswandlers mit einem Ist-Wert-Eingang, einem Soll-Wert-Eingang und einem Kompensationseingang,
– ein Kompensationsglied, das an den Kompensationseingang des Reglers verschaltet ist,

– eine Steuerleitung an oder in das Kompensationsglied aufweist, mittels welcher ein Arbeitspunkt des Kompensationsglieds durch bevorzugt kurz- oder langfristiges Anlegen eines Steuerpotentials V_comp an die Steuerleitung steuerbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe weiterhin insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung einer Last mit einer oder mehreren LEDs, wobei die Last mittels eines Gleichspannungswandlers mit Spannung versorgt wird, der Gleichspannungswandler in Abhängigkeit eines Laststroms mittels eines Reglers beeinflusst wird und über ein Kompensationsglied das Regelverhalten des Reglers stabilisiert wird, und wobei folgender Schritt durchgeführt wird:

– Beeinflussen eines Arbeitspunkts des Kompensationsglieds mittels bevorzugt kurzoder langfristigen Anlegens eines Steuerpotentials V_comp an eine an oder in das Kompensationsglied verschaltete Steuerleitung.

Durch die Steuerleitung bzw. die gezielte Beeinflussung des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds wird eine schaltungstechnische Möglichkeit bzw. eine Maßnahme bereitgestellt, die im Grunde gewollte Trägheit des Kompensationglieds gezielt zu überwinden und somit das Impulsverhalten gezielt zu beschleunigen, was z.B. insbesondere durch temporäre Beeinflussung z.B. bei Lastwechseln (z.B. Kurzschlussdimmen von einzelnen LEDs) oder bei einer globalen PWM-Dimmung (Dimmen eines oder mehrerer LED-Stränge) sehr vorteilhaft angewendet werden kann.
Wenn z.B. eine PWM-Dimmung durchgeführt werden soll wie in der DE 102 36 872 A1 , jedoch auf einen teuren Leistungsschalter T₃ verzichtet wird und die Dimmung z.B. über den Schaltregler durch ein logisches Verknüpfen des PWM-Dimmsignals (ca. 250 Hz) mit dem PWM-Schaltreglersignals (ca. 400 kHz) zu T₄ erfolgt, baut sich die Spannung in dem Filterkondensator C₄ während einer Aus-Phase der PWM-Dimmung soweit ab, bis in den LEDs kein Strom mehr fließt. Dies kann pro LED, je nach Typ 1V–2V betragen. Werden z.B. fünf LEDs in Reihenschaltung betrieben, kann eine Spannungsdifferenz am Kondensator C₄ des Ausgangsfilters von 5V–10V zwischen LED an bzw. aus gemessen werden. Dieser muss beim erneutem „LED ein“ wieder in den Nennbetrieb aufgeladen werden, was für die Regelung eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Durch diese Aufladephase wird das Erreichen des Nennstroms in den LEDs verzögert. Die Folge ist ein stark verzögerter und unerwünschter Dimmbetrieb, bei dem der LED-Strom dem Rechtecksignal der PWM nicht mit der gewünschten großen Flankensteilheit folgt. Wird z.B. im eingeschwungenen Zustand des Schaltreglers ein Duty-Cycle des PWM-Schaltreglersignals von 60% für einen bestimmten Laststrom verwendet, würde dieses ohne Beeinflussung des Kompensationsnetzwerks auch wieder nach einem Aus-Zustand des PWM-Dimmsignals bei 60% weiter verwendet, wenn der Regler in der „LED aus Phase“ sozusagen eingefroren wird und wieder mit dem zuletzt eingestellten Wert beim Verlassen der „Ein-Phase“ startet. Durch die erfinderische Steuerleitung bzw. die gezielte Beeinflussung des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds kann jedoch das Duty-Cycle gezielt wieder auf 100% gesetzt werden, womit die Last dann schneller in einen eingeschwungenen Zustand nach dem Wechsel in den Ein-Zustand des PWM-Dimmsignals zurückkehrt.
Ebenso ist das Reaktionsverhalten bei Lastwechseln durch z.B. Kurzschlussdimmen vorteilhaft kompensierbar. Wird z.B. von einem Betrieb von zehn LEDs auf fünf LEDs über ein „Kurzschließen“ (z.B. über einen parallel zur LED angeordneten elektronischer Schalter) von fünf LEDs umgeschaltet, so wird sich die Spannung des Kondensators des Speicher- bzw. Filterelements von ca. 40V auf einen Wert von 20V reduzieren. Wenn keine Maßnahmen erfolgen, würde die Energie von 0,5·C·U² (C=Kapazität, U=Spannung) kurzfristig die LEDs überlasten. Es fließt weitere Energie aus der Drossel des Gleichstrom-Wandlers in die LEDs. Um ein Überlasten der LEDs zu verhindern, wird erfindungsgemäß eine Beeinflussung des Arbeitspunkts vorgenommen, so dass das Duty-Cycle des PWM-Schaltreglersignals sofort auf ein geringeres Duty-Cycle gestellt wird und somit der durch das Kompensationsglied bedingte Trägheit der Anpassung gezielt entgegengewirkt wird. Zudem ist es sinnvoll, vor dem Umschalten auf eine niedrigere Anzahl von LEDs den Regler auszuschalten, damit weniger Energie aus den Speicher- bzw. Filterelementen oder der Drossel in die LEDs fließt. Ebenso kann in dieser Aus-Phase des Reglers, welche im Grunde genauso bei der bereits genannten globalen PWM-Dimmung vorhanden ist, durch eine Beeinflussung des Arbeitspunktes des Kompensationsglieds das Duty-Cycle des PWM-Schaltreglersignals auf ein geringeres Duty-Cycle gestellt werden, damit in der darauffolgenden Ein-Phase des Schaltreglers dieser gleich mit dem geringeren Duty-Cycle startet und somit ein zu hoher Laststrom verhindert wird.
Somit erfolgt erfindungsgemäß eine schnellere Anpassung an Lastwechsel (z.B. bei Kurzschlussdimmen) oder Steuersignalwechsel (z.B. an ein PWM-Rechtecksignal bei PWM-Dimmung) und das Impulsverhalten ist gegenüber dem Stand der Technik eindrucksvoll verbessert.
Bei der Last handelt mit einer oder mehreren LEDs handelt es sich z.B. um mehrere in Reihe geschaltete LEDs oder mehrere parallel geschaltete Stränge von in Reihe geschalteten LEDs. Eine Anwendung ist z.B. ein LED-Matrixbeamscheinwerfer für ein Fahrzeug. Bevorzugt ist die Last an die Schaltung angeschlossen.
Unter einem Gleichspannungswandler wird bevorzugt ein Wandler verstanden, der eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umwandelt. Besonders bevorzugt ist er ein Aufwärtswandler. Der Gleichspannungswandler weist bevorzugt eine Induktivität, eine Diode, einen elektronischen Schalter und einen Glättungskondensator auf.
Sofern in dieser Beschreibung von Schalter gesprochen wird, soll darunter einerseits abstrakt ein schaltungstheoretischer Schalter verstanden sein, insbesondere jedoch ein Transistor (z.B. Bipolar oder MOSFET). Unter dem Schließen des Schalters wird ein Leitend-Machen des Schalters verstanden bzw. ein Niederohmig-Schalten im Gegensatz zum Nicht-leitend-Machen des Schalters bzw. Hochohmig-Schalten, was mit dem Öffnen eines Schalters bezeichnet wird.
Der Regler zur laststromabhängigen Beeinflussung des Gleichspannungswandlers mit einem Ist-Wert-Eingang, einem Soll-Wert-Eingang und einem Kompensationseingang besteht z.B. aus einem Komparator oder mehreren, bevorzugt kaskadierten Komparatoren. An den Ist-Wert-Eingang ist bevorzugt eine Leitung verschaltet, deren Potential abhängig ist von dem Laststrom. An den Soll-Wert-Eingang ist ein Referenzpotential verschaltet. Dieses ist z.B. so eingestellt, dass im eingeschwungenen Zustand der Last ein verbrauchsoptimaler Strom durch die Last fließt. Der Regler beeinflusst bevorzugt ein Duty-Cycle eines PWM-Schaltreglersignals, welches den elektronischen Schalter des Gleichspannungswandlers gemäß dem Duty-Cycle öffnet und schließt, z.B. mit einer Frequenz von 400kHz. Die Regelgröße ist bevorzugt der Laststrom und die Stellgröße das Duty-Cycle des PWM-Schaltreglersignals.
Das Kompensationsglied ist bevorzugt als Bauteil mit mindestens zwei Polen bzw. Anschlussklemmen abstrahierbar. Es besteht bevorzugt aus einem Netzwerk aus verschiedenen elektronischen Bauteilen. Es weist bevorzugt eines oder eine Kombination der folgenden Bauteile auf: Kondensator, Spule, Widerstand. Mit dem Kompensationsglied ist bevorzugt ein integraler Anteil (I-Anteil) des Reglers durch elektrische Bauteile realisiert, der zur Stabilität des Regelkreises beiträgt. Bevorzugt ist das Kompensationsglied an einer Seite auf ein Referenzpotential (z.B. Masse) geschaltet und auf einer anderen Seite an den Kompensationseingang des Reglers.
Unter einer erfindungsgemäßen Steuerleitung an oder in das Kompensationsglied wird bevorzugt eine galvanische Verbindung verstanden, die mit dem einen Ende an eine Anschlussklemme des Kompensationsglieds oder an einen Leitungspunkt innerhalb des Kompensationsglieds verschaltet ist und an die über ihr anderes Ende ein Steuerpotential V_comp zur Beeinflussung des Kompensationsglieds anlegbar ist.
Ein Arbeitspunkt des Kompensationsglieds ist insbesondere ein im oder am Kompensationsglied vorherrschendes Potential bei einem bestimmten Stromfluss (eingeschlossen dem Stromfluss von 0A). Z.B. ist der Arbeitspunkt ein Ladezustand (Spannung) bei einem dem Zustand entsprechenden Strom (bevorzugt ist der Strom gleich 0) eines Kondensators des Kompensationsglieds. Ein Beeinflussen des Arbeitspunkts ist ein Beeinflussen einer Spannung und/oder eines Stroms des Kompensationsglieds.
Das Anlegen eines Steuerpotentials V_comp an die Steuerleitung erfolgt z.B. durch ein Schließen eines Schalters, der zwischen eine Spannungsquelle, die eine Spannung in Höhe des Steuerpotentials V_comp ausgibt, und die Steuerleitung geschaltet ist. V_comp kann jedoch auch das Massepotential sein, und das Anlegen von Vcomp erfolgt durch ein Schließen eines Schalters, der zwischen Masse und die Steuerleitung geschaltet ist. Bevorzugt erfolgt das Anlegen eines Steuerpotentials temporär, d.h. z.B. mittels eines pulsförmigen Anlegens des Steuerpotentials. Bevorzugt wird das Steuerpotential nach einer bestimmten Zeitdauer wieder von der Steuerleitung getrennt. Durch Anlegen des Steuerpotentials wird das Potential des Kompensationsglieds an dem Anschlusspunkt der Steuerleitung in Richtung des Steuerpotentials gezogen oder gehoben.
Bevorzugt wird der Arbeitspunkt des Kompensationsglieds mittels kurz- oder langfristigen Anlegens eines Steuerpotentials V_comp an eine an oder in das Kompensationsglied verschaltete Steuerleitung beeinflusst.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Beeinflussen des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds zusammen mit einem Lastwechsel, bevorzugt während eines Lastwechsels, z.B. dem Kurzschlussdimmen einer LED.
Wenn z.B. ein niedriges Potential im Kompensationsglied zu einem niedrigen Duty-Cycle führt wird der Arbeitspunkt des Kompensationsglieds abgesenkt, was z.B. durch Absenken eines Potentials im Kompensationsglied mittels des angelegten Kompensationspotentials erfolgt, wenn die Last verringert wird (z.B. wenn von vier LEDs auf drei LEDs umgeschalten wird). Bevorzugt wird in diesem Fall der Arbeitspunkt des Kompensationsglieds erhöht, was z.B. durch Anheben eines Potential im Kompensationsglied mittels des angelegten Kompensationspotentials erfolgt, wenn die Last erhöht wird (z.B. wenn von drei LEDs auf vier LEDs umgeschalten wird).
Wenn z.B. ein hohes Potential im Kompensationsglied zu einem niedrigen Duty-Cycle führt wird der Arbeitspunkt des Kompensationsglieds erhöht, was z.B. durch Erhöhen eines Potentials im Kompensationsglied mittels des angelegten Kompensationspotentials erfolgt, wenn die Last verringert wird (z.B. wenn von vier LEDs auf drei LEDs umgeschalten wird). Bevorzugt wird in diesem Fall der Arbeitspunkt des Kompensationsglieds reduziert, was z.B. durch Absenken eines Potential im Kompensationsglied mittels des angelegten Kompensationspotentials erfolgt, wenn die Last erhöht wird (z.B. wenn von drei LEDs auf vier LEDs umgeschalten wird).
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Erzielung einer bestimmten Beeinflussung des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds für einen jeweiligen Lastzustand ein Wert des Steuerpotentials V_comp aus vorbestimmten Steuerpotentialwerten ausgewählt und/oder es wird eine Zeitdauer des Anlegens des Steuerpotentials V_comp aus vorbestimmten Zeitdauern ausgewählt.
Z.B. erfolgt die Auswahl aus Werten einer Look-Up-Table, deren Inhalt z.B. empirisch zuvor festgelegt wurde, was z.B. mittels eines Mikrocontrollers, der üblicherweise einen hierfür geeigneten Speicher aufweist, implementiert ist.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltung ist über die Steuerleitung eine steuerbare Spannungsquelle, bevorzugt ein Ausgang eines Mikrocontrollers, an das Kompensationsglied verschaltet.
Hierdurch ist das Steuerpotential mittels einer steuerbaren Spannungsquelle, bevorzugt mittels eines in vielen Schaltungen bereits vorhandenen Mikrocontrollers, flexibel an die Steuerleitung zum Einstellen des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds anlegbar. Eine steuerbare Spannungsquelle ist bevorzugt eine Spannungsquelle, an deren Ausgang mindestens zwei verschiedene Spannungswerte erzeugbar sind, bevorzugt eine Vielzahl verschiedener, bevorzugt kontinuierlicher, Spannungswerte.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltung ist die Steuerleitung mit einer Seite an oder in das Kompensationsglied verschaltet und an die andere Seite der Steuerleitung ist ein Steuerschalter verschaltet.
Hierdurch ist das Steuerpotential mittels eines Schalters an die Steuerleitung anlegbar oder von ihr trennbar. Der Steuerschalter kann auch bereits Teil der steuerbaren Spannungsquelle oder des Mikrocontrollers sein.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltung ist an die andere Seite der Steuerleitung ein weiterer Steuerschalter verschaltet, und die Steuerschalter sind zwischen einem oberen Bezugspotential, das bevorzugt gleich V_comp ist, und einem unteren Bezugspotential, das z.B. ein weiteres Kompensationspotential V_comp2 ist, was bevorzugt dem Massepotential entspricht, in Reihe geschaltet und die andere Seite der Steuerleitung ist zwischen die Steuerschalter verschaltet. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Beeinflussen durch ein abwechselndes und pulsartiges Aufschalten der Steuerleitung auf ein oberes Bezugspotential, das bevorzugt gleich V_comp ist, oder ein unteres Bezugspotential oder durch gleichzeitiges Aufschalten der Steuerleitung auf das obere und untere Bezugspotential, im letzten Fall bevorzugt über zwischen die Steuerleitung und die Bezugspotentiale weiterhin geschaltete Widerstände.
Hierdurch ist an die Steuerleitung ein oberes, bevorzugt konstantes Bezugspotential und ein unteres, bevorzugt konstantes Bezugspotential alternierend bzw. abwechselnd oder gleichzeitig (wobei durch letzteres z.B. ein Spannungsteiler realisiert wird) anlegbar. Trotz konstanter Bezugspotentiale ist damit eine Beeinflussung des Arbeitspunktes des Kompensationsglieds in zwei verschiedene Richtungen (z.B. Potential nach oben oder unten ziehen) möglich. Das alternierende Aufschalten ist bevorzugt, da Verluste minimiert werden.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltung sind die Steuerleitung und das Kompensationsglied mit einem gemeinsamen Anschlusspunkt an den Kompensationseingang oder an einen mit dem Kompensationseingang verbundenen Entkopplungsschalter verschaltet.
Dies ist eine mögliche Verschaltung des Kompensationsglieds mit der Steuerleitung und einem Entkopplungsschalter, wobei der Entkopplungsschalter zwischen dem Regler und dem Kompensationsglied angeordnet ist. Hierdurch wird eine hohe Kompatibilität zu bereits vorhandenen Regler-ICs hergestellt, die bereit oftmals einen Entkopplungsschalter in einer derartigen Anordnung aufweisen. Wenn der Entkopplungsschalter geöffnet ist, ist das Potential des Kompensationsnetzwerks am gemeinsamen Anschlusspotential durch die Steuerleitung auf einen bestimmten Wert festlegbar, so dass dann z.B. ein bestimmtes Duty-Cycle des Schaltreglers voreingestellt ist.
Durch den Entkopplungsschalter wird die eingangs beschriebene Entkopplung des Kompensationsglieds und somit das Einfrieren des Reglers bei Lastwechseln oder zur Verbesserung des Impulsverhaltens in einer ersten Stufe ermöglicht, wobei durch die Steuerleitung zur Beeinflussung des Arbeitspunktes die erfindungsgemäße weitere Stufe der Verbesserung des Impulsverhaltens ermöglicht ist.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltung sind die Steuerleitung und ein Entkopplungsschalter mit einem gemeinsamen Anschlusspotential an das Kompensationsglied verschaltet und das Kompensationsglied ist in Reihe zwischen dem gemeinsamen Anschlusspotential und dem Kompensationseingang verschaltet.
Dies ist eine weitere mögliche Verschaltung des Kompensationsglieds mit der Steuerleitung und dem Entkopplungsschalter, wobei das Kompensationsglied zwischen der Steuerleitung und dem Regler angeordnet ist. Wenn der Entkopplungsschalter geöffnet ist, ist das Potential des Kompensationsnetzwerks am gemeinsamen Anschlusspotential durch die Steuerleitung auf einen bestimmten Wert festlegbar, so dass dann z.B. ein bestimmtes Duty-Cycle des Schaltreglers voreingestellt ist.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltung weist diese einen Dimmschalter auf, welcher eingerichtet ist, einen Strom durch die Last mittels einer Pulsweitenmodulation zu dimmen.
Bevorzugt ist der Dimmschalter mittels eines PWM-Dimmsignals angesteuert. Besonders bevorzugt sind der Dimmschalter und der Entkopplungsschalter synchron mittels eines PWM-Dimmsignals angesteuert. Bevorzugt sind das PWM-Dimmsignal und das PWM-Schaltsignal des Reglers logisch miteinander verknüpft. Der Dimmschalter ist bevorzugt in Serie mit der Last geschaltet, besonders bevorzugt ist er zwischen den Regler am Reglerausgang und dem Schalter des Gleichspannungswandlers in Serie mit diesem und dem Gleichspannungswandler geschaltet. Im letzten Fall kann der Dimmschalter für kleinere Ströme ausgelegt sein, da der Laststrom nicht über den Dimmschalter fließt.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren werden weiterhin folgende Schritte durchgeführt:

– Dimmen der Last mittels einer Pulsweitenmodulation;
– Deaktivieren des Kompensationsglieds, bevorzugt während einer Aus-Phase der Pulsweitenmodulation; und das Beeinflussen des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds erfolgt zu einem Zeitpunkt, zu dem das Kompensationsglied deaktiviert ist.

Hierdurch kann in besonders effektiver Weise der Arbeitspunkt des Kompensationsglieds beeinflusst werden, da das Kompensationsglied während seines deaktivierten Zustands zumindest einseitig „in der Luft hängt“ d.h. nicht mit einem anderen Potential außer dem evtl. angelegten Kompensationspotential V_comp oder V_comp2 verbunden ist.
Das Deaktivieren des Kompensationsglieds ist bevorzugt ein Entkoppeln des Kompensationsglieds entweder vom Regler oder von einem Bezugspotential, bevorzugt mittels Öffnen des Entkopplungsschalters.
Mit Aus-Phase der Pulsweitenmodulation wird auf die Phase der PWM abgestellt, in der der zu steuernde Strom, d.h. der Laststrom, abgestellt wird soll. Sie liegt z.B. vor wenn der Stromfluss durch die Last aufgrund des PWM Zyklus im Wesentlichen abgeschaltet ist bzw. wenn die Versorgung abgestellt wird und der Stromfluss in Folge dessen abklingt.
Durch die Beeinflussung des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds wird beim Wiederanlauf (Aktivieren des Kompensationsglieds, z.B. Schließen des Entkopplungsschalters) des Reglers die Regelung mit dem neuen Arbeitspunkt gestartet. Bevorzugt wird der Arbeitspunkt zuvor auf einen Arbeitspunkt mit einem höheren Spannungswert durch das Anlegen des Steuerpotential V_comp erhöht. Dann startet bei Wiederanlauf das PWM-Schaltsignal für den Regler mit einem höheren Duty-Cycle, bevorzugt mit einem höchstmöglichen (100%) Duty-Cycle. Auf diese Weise wird sich dem gewünschten rechteckigen Stromverlauf besser angenähert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen,
1a, 1b erfindungsgemäße Schaltungen mit im Falle 1a einer Steuerleitung an das Kompensationsglied und im Falle 1b einer Steuerleitung in das Kompensationsglied,
2 eine erfindungsgemäße Schaltung aufbauend auf 1a mit einem Steuerschalter,
3 eine erfindungsgemäße Schaltung aufbauend auf 2 mit einem weiteren Steuerschalter,
4 eine erfindungsgemäße Schaltung aufbauend auf 1a mit einem Entkopplungsschalter und einem Dimmschalter,
5 eine erfindungsgemäße Schaltung aufbauend auf 3 und 4 mit weiteren beispielhaften Details.
1a, 1b zeigen erfindungsgemäße Schaltungen 100 mit im Falle 1a einer Steuerleitung 70 an das Kompensationsglied 50 und im Falle 1b einer Steuerleitung 70 in das Kompensationsglied 50. Die Schaltung 100 weist einen Gleichspannungswandler 10 zur Spannungsversorgung einer Last 20 mit LEDs auf. In diesem Fall wird eine Eingangsspannung V_in für die Last 20 gewandelt. Eine mögliche Realisierung ist z.B. ein Aufwärtswandler, wie er gestrichelt angedeutet ist, mit einer Induktivität, einem PWM-gesteuerten Schalter, einem Kondensator und einer Diode. Die anschließbare Last 20 mit LEDs, weist z.B. LEDs wie gestrichelt gezeigt auf, die per Kurzschlussdimmung einzeln ansteuerbar sind. Über einen Laststromsensor 30, der z.B. aus einem Widerstand bestehen kann, ist eine Spannung als Wert für die Regelgröße an den Regler 40 zur laststromabhängigen Beeinflussung des Gleichspannungswandlers 10 weiterleitbar. Der Regler 40 weist einen Ist-Wert-Eingang 41, einen Soll-Wert-Eingang 42, einen Kompensationseingang 43 sowie einen Reglerausgang 44 auf. Der Reglerausgang ist mit dem Gleichspannungswandler 10 verschaltet. Die Schaltung 100 weist ein Kompensationsglied 50 auf, das an den Kompensationseingang 43 des Reglers 40 verschaltet ist. Weiterhin ist eine Steuerleitung 70 in 1a an dem und in 1b in das Kompensationsglied 50 vorgesehen, mittels welcher ein Arbeitspunkt des Kompensationsglieds 50 durch Anlegen eines Steuerpotentials V_comp an die Steuerleitung 70 steuerbar ist. In 1a ist die Steuerleitung mit einem Pol des Kompensationsglied verschaltet, in 1b an einen Anschlusspunkt zwischen zwei Bauteilen des Kompensationsglieds 50.
Im Betrieb der Schaltung wird die Last 20 mittels des Gleichspannungswandlers 10 mit Spannung versorgt und der Gleichspannungswandler 10 in Abhängigkeit eines Laststroms mittels des Reglers 40 beeinflusst. Über das Kompensationsglied 50 wird das Regelverhalten des Reglers 40 stabilisiert. Durch Anlegen des Steuerpotentials V_comp an die an oder in das Kompensationsglied 50 verschaltete Steuerleitung 70 wird ein Arbeitspunkt des Kompensationsglieds 50 beeinflusst.
Hierdurch kann gezielt und immer dann wenn benötigt das Trägheitsverhalten des Kompensationsglied 50 vermindert werden.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung 100 aufbauend auf 1a mit einem Steuerschalter 71. Die Steuerleitung 70 ist mit einer Seite an das Kompensationsglied 50 verschaltet und an die andere Seite der Steuerleitung 70 ist der Steuerschalter 71 verschaltet. Der Steuerschalter 71 ist zwischen eine Spannungsquelle mit der Spannung V_comp und die Steuerleitung 70 verschaltet. Steuerschalter 71 und Spannungsquelle bilden eine steuerbare Spannungsquelle, die somit über die Steuerleitung 70 an das Kompensationsglied 50 verschaltet ist.
Im Betrieb der Schaltung wird durch zeitweises Öffnen und Schließen des Steuerschalters 71 der Arbeitspunkt des Kompensationsglieds 50 dem Steuerpotential V_comp angenähert.
Dies stellt eine einfach zu realisierende und einfach steuerbare Möglichkeit des Anlegens eines Steuerpotentials V_comp an die Steuerleitung 70 dar.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung 100 aufbauend auf 2 mit einem weiteren Steuerschalter 72. Der weitere Steuerschalter 72 ist an die andere Seite der Steuerleitung 70 verschaltet, so dass die Steuerschalter 71, 72 zwischen einem oberen Bezugspotential V_comp und einem unteren Bezugspotential V_comp2 in Reihe geschaltet sind und die andere Seite der Steuerleitung 70 zwischen die Steuerschalter 71, 72 verschaltet ist.
Im Betrieb der Schaltung erfolgt das Beeinflussen des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds 50 durch ein abwechselndes und pulsartiges Aufschalten der Steuerleitung auf das obere Bezugspotential V_comp oder das untere Bezugspotential V_comp2 oder durch ein gleichzeitiges Aufschalten der Steuerleitung auf das obere und untere Bezugspotential.
Hierdurch kann auf einfache Weise der Arbeitspunkt in zwei verschiedene Richtungen beeinflusst werden.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung aufbauend auf 1a mit einem Entkopplungsschalter 60 und einem Dimmschalter 80. Die Steuerleitung 70 und der Entkopplungsschalter 60 sind mit einem gemeinsamen Anschlusspotential an das Kompensationsglied 50 verschaltet und das Kompensationsglied 50 ist in Reihe zwischen dem gemeinsamen Anschlusspotential und dem Kompensationseingang 43 verschaltet. Zudem ist ausschnitthaft die Variante angedeutet, dass die Steuerleitung 70 und das Kompensationsglied 50 mit einem gemeinsamen Anschlusspunkt an einen mit dem Kompensationseingang 43 verbundenen Entkopplungsschalter 60 verschaltet sind. Der Dimmschalter 80 ist eingerichtet, einen Strom durch die Last 20 mittels einer Pulsweitenmodulation zu dimmen. Der Dimmschalter 80 ist zwischen den Regler 40 am Reglerausgang 44 und dem Schalter (vgl. 1a) des Gleichspannungswandlers 10 in Serie mit diesem und dem Gleichspannungswandler 10 geschaltet.
Im Betrieb der Erfindung wird die Last mittels einer Pulsweitenmodulation über den Dimmschalter 80 gedimmt, und dabei das Kompensationsglied 50 durch Entkoppeln des Kompensationsglieds 50 mittels des Entkopplungsschalters 60 von dem Bezugspotential (hier Massepotential) während einer Aus-Phase der Pulsweitenmodulation (d.h. wenn der Stromfluss durch die Last aufgrund des PWM Zyklus im Wesentlichen abgeschaltet ist, bei Verwendung des in 1a skizzierten Wandlers wäre dies der Fall, wenn der Dimmschalter 80 geschlossen ist, denn wenn der Schalter des Gleichspannungswandlers 10 in 1a geschlossen ist, fließt höchstens noch der im Kondensator des Gleichspannungswandlers 10 gespeicherte Strom durch die Last 20, der sich jedoch schnell abbaut). Das Beeinflussen des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds 50 durch das Steuerpotential V_comp erfolgt dabei zu einem Zeitpunkt, zu dem das Kompensationsglied 50 deaktiviert ist, d.h. wenn der Entkopplungsschalter 60 geöffnet ist.
Hierdurch kann er Arbeitspunkt des Kompensationsglied so beeinflusst werden, dass bei der nächsten Ein-Phase des PWM Zyklus der Schaltregler mit einem höheren Duty-Cycle startet und somit der rechteckförmige gewünschte Verlauf des Laststroms besser angenähert wird.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung 100 aufbauend auf 3 und 4 mit weiteren beispielhaften Details. Die Steuerschalter 71, 72 sind Mos-FETs, die pulsweise ansteuerbar sind. Der Regler 40 ist ein PI-Regler mit dem Kompensationsglied 50 als I-Anteil. Das Kompensationsglied 50 besteht aus einer Parallelschaltung eines Kondensators C2 mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1. Im Regler sind zwei Operationsverstärker angeordnet, wobei der erste (links) am Soll-Werteingang 42 und Ist-Wert-Eingang 42 von innen verschaltet ist und der Verstärkung (gain, P-Anteil des PI-Reglers) des Regelfehlers (Unterschied zwischen Ist- und Sollwert) dient. Der zweite Operationsverstärker dient als Komparator des verstärkten Regelfehlers und einem Sägezahnsignal, wobei als Ausgang ein je nach Regelfehler moduliertes PWM-Schaltreglersignal PWM_sw ausgegeben wird. Diese Schaltreglersignal ist logisch mit einem Dimmschalter 80 verknüpft, was hier durch ein Logik-Gatter NAND abstrahiert dargestellt ist. An dem unteren Eingang ist ein PWM-Dimmsignal PWM_dim verschaltet, welches weiterhin an den Entkopplungsschalter 60 verschaltet ist. Der Stromsensor 30 besteht aus einem Potentialabgriff oberhalb des Widerstands R2.
Im Betrieb der Schaltung wird wiederum ein Dimmen durchgeführt. Wenn das PWM-Dimmsignal PWM_dim (250 kHz) „low“ ist, ist der Schalter im Gleichspannungswandler durch die logische Verknüpfung immer geschlossen und es fließt kein (oder kein nicht abnehmender) Strom durch die Last 20. Gleichzeitig ist der Entkopplungsschalter 60 in diesem Zustand geöffnet, so dass das Kompensationsglied 50 deaktiviert ist. Dies ist der Aus-Zustand der PWM-Dimmung.
Wenn das PWM-Dimmsignal „high“ ist, wird durch die logische Verknüpfung das PWM-Schaltreglersignal PWM_sw (400 kHz) an den Schalter im Gleichspannungswandler 10 weitergegeben, so dass sich der Laststrom auf den Sollstrom mit Betrag >0 einschwingt. Gleichzeitig ist der Entkopplungsschalter 60 in diesem Zustand geschlossen, so dass das Kompensationsglied 50 aktiviert ist. Dies ist der Ein-Zustand der PWM-Dimmung.
Über das PWM-Dimmsignal PWM_dim wird der Regler 40 somit ein-/ausgeschaltet sowie das Kompensationsnetzwerk über den Entkopplungsschalter 60 abgetrennt. Für unterschiedliche Lasten stellen sich unterschiedliche Spannungen am Kompensationsnetzwerk am Kompensationseingang ein. Erfolgt jetzt eine Änderung der Last, wird sich die Spannung am Kompensationsnetzwerk in Abhängigkeit der Zeitkonstante des Kompensationsnetzwerkes ändern. Da dieses Verhalten für Lastwechsel nicht vorteilhaft ist, wird das Kompensationsnetzwerk daher aktiv über die Steuerleitung 70 beeinflusst. Hierdurch kann die Dynamik, das heißt die Reaktion auf Lastwechsel, z.B. Änderung der Anzahl der eingeschalteten LEDs, verbessert werden.
Z.B. wird bei einer Verringerung der Last über einen zeitlich variablen Impuls am Gate des Schalters 72 dieser geöffnet und über den Widerstand R4 wird das Kompensationsglied 50 mit GND bzw. V_comp2 verbunden. Dies führt zu einer Spannungsverringerung über dem Kompensationsglied 50. Bevorzugt werden die Pulslänge oder die Größe des Widerstands R4 empirisch ermittelt, um bestmögliche Reaktion bei einem Lastwechsel von z.B. 4 LEDs auf 3 LEDs zu erreichen. Ist der Lastwechsel noch größer, z.B. von 4 LEDs auf 1 LED, kann dies z.B. zusätzlich über die Pulslänge zu einer passenden Spannungsänderung am Kompensationsglied 50 führen.
Oder es wird bei einer Erhöhung der Last über einen zeitlich variablen Impuls am Gate des Schalters 71 dieser geöffnet und über den Widerstand R5 das Kompensationsglied 50 mit V_comp verbunden. Dies führt zu einer Spannungserhöhung über dem Kompensationsglied 50. Bevorzugt werden die Pulslänge oder die Größe des Widerstands R5 empirisch ermittelt, um bestmögliche Reaktion bei einem Lastwechsel von z.B. 3 LEDs auf 4 LEDs zu erreichen. Ist der Lastwechsel noch größer, z.B. von 1 LEDs auf 4 LEDs, kann dies z.B. zusätzlich über die Pulslänge zu einer passenden Spannungsänderung am Kompensationsnetzwerk führen.
Oder es wird zur Beschleunigung des Einschwingens beim Übergang von einem Auszu einem Ein-Zustand der PWM-Dimmung mittels Durchschaltens des Schalters 71 das Spannungspotential V_comp die Spannung über dem Kompensationsglied 50 in der LED-Aus-Phase erhöht, so dass beim nächsten Einschalten des Reglers 40 ein bestimmtes höheres Duty-Cycle erzwungen wird. Ist der Entkopplungsschalter 60 offen, kann eine Änderung der Ist-Größe, hier der Strom über R2, keinen Einfluss auf den Fehlerverstärker nehmen, da der Pfad offen geschaltet wurde. Die anliegende Spannung über das Kompensationsglied 50 würde erhalten bleiben und der Regler 40 mit dem gleichen Duty-Cycle wieder starten, wenn das Spannungspotential V_comp nicht über die Steuerleitung 70 die Spannung über dem Kompensationsglied 50 in der LED „Aus Phase“ verändern würde.
Mit dieser Erfindung werden Schaltungen vorgestellt, bei denen durch aktive Beeinflussung der Spannung oder des Stroms über dem Kompensationsglied bei Lastwechsel oder Dimmung das Impulsverhalten verbessert wird, z.B. indem die Beeinflussung mittels eines Mikrocontrollers erfolgt. Bevorzugt wird dabei der Signal-Pfad der Ist-Größe von der Erfassung bis zur Auswertung vom Regler zeitlich synchron mit der PWM-Dimmung zu unterbrochen, und stattdessen wird eine entsprechende Vorspannung über eine Steuerleitung angelegt, die den Regler beim Wiederanlauf mit einem gewünschten Duty-Cycle starten lässt.
Bezugszeichenliste

10: Gleichspannungswandler
20: Last
30: Stromsensor
40: Regler
41: Ist-Wert-Eingang
42: Soll-Wert-Eingang
43: Kompensationseingang
44: Reglerausgang
50: Kompensationsglied
60: Entkopplungsschalter
70: Steuerleitung
71: Steuerschalter
72: weiterer Steuerschalter
80: Dimmschalter
100: Schaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10236872 A1 [0002, 0002, 0008]
DE 102006031679 A1 [0003]

Claims

Schaltung (100) zur Ansteuerung einer Last (20) mit einer oder mehreren LEDs, wobei die Schaltung (100) aufweist: – einen Gleichspannungswandler (10) zur Spannungsversorgung der Last (20), – einen Regler (40) zur laststromabhängigen Beeinflussung des Gleichspannungswandlers (10) mit einem Ist-Wert-Eingang (41), einem Soll-Wert-Eingang (42), einem Kompensationseingang (43) und einem Reglerausgang (44), – ein Kompensationsglied (50), das an den Kompensationseingang (43) des Reglers (40) verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (100) weiterhin – eine Steuerleitung (70) an oder in das Kompensationsglied (50) aufweist, mittels welcher ein Arbeitspunkt des Kompensationsglieds (50) durch Anlegen eines Steuerpotentials V_comp an die Steuerleitung (70) steuerbar ist.
Schaltung (100) gemäß Anspruch 1, wobei über die Steuerleitung (70) eine steuerbare Spannungsquelle an oder in das Kompensationsglied (50) verschaltet ist.
Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Steuerleitung (70) mit einer Seite an das Kompensationsglied (50) verschaltet ist und an die andere Seite der Steuerleitung (70) ein Steuerschalter (71) verschaltet ist.
Schaltung (100) gemäß Anspruch 3, wobei an die andere Seite der Steuerleitung (70) ein weiterer Steuerschalter (72) verschaltet ist und die Steuerschalter (71, 72) zwischen einem oberen Bezugspotential und einem unteren Bezugspotential in Reihe geschaltet sind und die andere Seite der Steuerleitung (70) zwischen die Steuerschalter (71, 72) verschaltet ist.
Schaltung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerleitung (70) und das Kompensationsglied (50) mit einem gemeinsamen Anschlusspunkt an den Kompensationseingang (43) oder an einen mit dem Kompensationseingang (43) verbundenen Entkopplungsschalter (60) verschaltet sind.
Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerleitung (70) und ein Entkopplungsschalter (60) mit einem gemeinsamen Anschlusspotential an das Kompensationsglied (50) verschaltet sind und das Kompensationsglied (50) in Reihe zwischen dem gemeinsamen Anschlusspotential und dem Kompensationseingang (43) verschaltet ist.
Schaltung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltung einen Dimmschalter (80) aufweist, welcher eingerichtet ist, einen Strom durch die Last (20) mittels einer Pulsweitenmodulation zu dimmen.
Verfahren zur Ansteuerung einer Last (20) mit einer oder mehreren LEDs, wobei die Last (20) mittels eines Gleichspannungswandlers (10) mit Spannung versorgt wird, der Gleichspannungswandler (10) in Abhängigkeit eines Laststroms mittels eines Reglers (40) beeinflusst wird und über ein Kompensationsglied (50) das Regelverhalten des Reglers (40) stabilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass folgender Schritt durchgeführt wird: – Beeinflussen eines Arbeitspunkts des Kompensationsglieds (50) mittels Anlegens eines Steuerpotentials V_comp an eine an oder in das Kompensationsglied (50) verschaltete Steuerleitung (70).
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Beeinflussen des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds (50) zusammen mit einem Lastwechsel erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei zur Erzielung einer bestimmten Beeinflussung des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds (50) für einen jeweiligen Lastzustand ein Wert des Steuerpotentials V_comp aus vorbestimmten Steuerpotentialwerten ausgewählt wird und/oder eine Zeitdauer des Anlegens des Steuerpotentials V_comp aus vorbestimmten Zeitdauern ausgewählt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Beeinflussen durch ein abwechselndes und pulsartiges Aufschalten der Steuerleitung (70) auf ein oberes Bezugspotential oder ein unteres Bezugspotential erfolgt oder durch ein gleichzeitiges Aufschalten der Steuerleitung (70) auf das obere und untere Bezugspotential.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei weiterhin folgende Schritte durchgeführt werden: – Dimmen der Last mittels einer Pulsweitenmodulation; – Deaktivieren des Kompensationsglieds (50); und wobei das Beeinflussen des Arbeitspunkts des Kompensationsglieds (50) zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem das Kompensationsglied (50) deaktiviert ist.