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Die Erfindung betrifft ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere Leuchtdioden und ein Verfahren zum Betreiben von Leuchtmitteln, insbesondere Leuchtdioden.
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Leuchtdioden werden zum Betrieb herkömmlicherweise in Serie zu Modulen verschaltet. Die Module werden mit einer Eingangsspannung beaufschlagt. Sofern die Eingangsspannung oberhalb der Durchlassspannung der Leuchtdioden ist, beginnen die Leuchtdioden zu leuchten. Um bei hoher Effizienz und hoher Farbtreue eine Dimmung derartig betriebener Leuchtdioden erreichen zu können, wird häufig eine Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung eingesetzt. D.h. die Leuchtdioden werden mit gepulster Gleichspannung betrieben.
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In Beleuchtungssystemen mit auswechselbaren Leuchtmitteln besteht die Gefahr, dass ein Nutzer z.B. beim Wechseln eines Leuchtmittels, einen oder mehrere Ausgangsklemmen eines Betriebsgerät zum Betreiben der Leuchtmittel berührt. Sofern dies geschieht, wenn die jeweilige Ausgangsklemme unter Spannung steht, besteht eine Gesundheitsgefahr. Es gibt Hinweise darauf, dass insbesondere gepulste Gleichspannung, wie sie bei pulsweitenmodulierten Versorgungsspannungen vorkommt eine größere Gesundheitsgefahr auslösen kann als nicht gepulste Gleichspannung oder Wechselspannung identischer Amplitude.
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So zeigt beispielsweise die internationale Patentanmeldung
WO 2011/076898 A1 ein Beleuchtungssystem, bei welchem pulsweitenmodulierte Versorgungsspannungen zum Betrieb von Leuchtdioden eingesetzt werden. Nachteilig ist hier, dass aufgrund der verwendeten pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung eine Gesundheitsgefahr beim Berühren einer Ausgangsklemme nicht ausgeschlossen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsgerät und ein Verfahren zu schaffen, welche einen zuverlässigen Betrieb von Leuchtmitteln mit Leuchtdioden bei gleichzeitiger hoher Sicherheit für einen Nutzer ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und für das Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand hierauf rückbezogener Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere wenigstens eine Leuchtdiode ist dazu ausgelegt, an zwei Ausgangsklemmen eine unipolare getaktete DC-Spannung auszugeben. Mit dieser wird das Leuchtmittel versorgt. Das Betriebsgerät ist weiterhin ausgebildet, um bei Überbrückung der Ausgangsklemmen durch einen ohmschen Widerstand im Bereich des Widerstands eines menschlichen Körpers, und/oder bei Verbindung zumindest einer der Ausgangsklemmen zu Masse durch einen ohmschen Widerstand im Bereich des Widerstands eines menschlichen Körpers, die getaktete DC-Spannung abzuschalten, zu verringern oder durch eine bipolare Spannung zu ersetzen. Somit wird sichergestellt, dass keine gesundheitsgefährliche Spannung an den Ausgangsklemmen anliegt, sobald diese von einem Nutzer berührt werden.
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Vorzugsweise weist das Betriebsgerät dabei eine Schutzeinrichtung auf, welche ausgebildet ist, um Spannungen an den zwei Ausgangsklemmen zu messen und basierend auf den Spannungen zu ermitteln, ob ein ohmscher Widerstand im Bereich des Widerstands eines menschlichen Körpers zumindest eine der Ausgangsklemmen mit Masse verbindet und/oder die beiden Ausgangsklemmen überbrückt. So kann mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln die Funktion des Betriebsgeräts sichergestellt werden.
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Vorzugsweise ist die Schutzeinrichtung ausgebildet, um die Spannung an den Ausgangsklemmen in Aus-Phasen der unipolaren getakteten DC-Spannung zu messen. So kann eine sehr genaue Ermittlung der Berührung durch einen Nutzer erfolgen.
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Weiterhin ist die Schutzeinrichtung vorzugsweise ausgebildet um anhand der Spannung während der Aus-Phasen der unipolaren getakteten DC-Spannung zu ermitteln, ob die Ausgangsklemmen von einem Nutzer berührt wird. Der Spannungsabfall erfolgt dabei durch ein Abfließen von Ladung über den Körper des Nutzers. Eine sehr zuverlässige Ermittlung, ob der Ausgangsanschluss von einem Nutzer berührt wird, ist so möglich.
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Vorzugsweise ist die Schutzeinrichtung weiterhin ausgebildet, um die Spannungen mit einem Schwellwert zu vergleichen, um bei Überschreitung des Schwellwerts keine Berührung der Ausgangsklemmen durch einen Nutzer zu ermitteln und um bei Unterschreitung des Schwellwerts eine Berührung der Ausgangsklemmen durch einen Nutzer zu ermitteln. Durch Nutzung eines derartigen Schwellwerts kann eine hohe Wiederholgenauigkeit der Ermittlung erreicht werden.
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Vorzugsweise ist der Schwellwert dabei kleiner als eine Durchlassspannung des Leuchtmittels und größer als 0 Volt. So wird eine besonders zuverlässige Messung erreicht.
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Bevorzugt ist der Schwellwert voreingestellt oder von einem Nutzer einstellbar. Alternativ kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um den Schwellwert mittels Kalibriermessungen mittels der Schutzeinrichtung einzustellen. In diesem Fall veranlasst die Steuereinrichtung die Ausgabe einer Versorgungsspannung mit gesundheitlich unproblematisch niedriger Amplitude und führt zunächst eine Messung des Spannungsabfalls ohne Berührung einer Ausgangsklemme durch den Nutzer durch. Die Messung wird anschließend bei einer Berührung einer Ausgangsklemme durch einen Nutzer wiederholt. Anhand der unterschiedlichen gemessenen Spannungswerte kann so der Schwellwert festgelegt werden. Eine besonders genaue Messung wird so erreicht.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ausgebildet, um nach einer Ermittlung einer Berührung zumindest einer Ausgangsklemme die Deaktivierung, Verringerung oder Ersetzung der Versorgungsspannung für einen ersten Zeitraum t1 aufrecht zu erhalten und nach dem ersten Zeitraum t1 zu der ursprünglichen Versorgungsspannung zurückzukehren. So wird erreicht, dass zu einem effizienten und farbtreuen und dimmbaren Betrieb zurückgekehrt wird, sobald dies möglich ist.
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Ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem beinhaltet ein zuvor beschriebenes Betriebsgerät und ein Leuchtmittel.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient dem Betreiben eines Leuchtmittels, insbesondere wenigstens einer Leuchtdiode. An zwei Ausgangsklemmen wird eine unipolare getaktete DC-Spannung ausgegeben. Bei Überbrückung der Ausgangsklemmen durch einen ohmschen Widerstand im Bereich des Widerstands eines menschlichen Körpers, und/oder bei Verbindung zumindest einer der Ausgangsklemmen zu Masse durch einen ohmschen Widerstand im Bereich des Widerstands eines menschlichen Körpers, wird die getaktete DC-Spannung abgeschaltet, verringert oder durch eine bipolare Spannung ersetzt. So wird ein sicherer Betrieb des Leuchtmittels erreicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen, in deren Fortlauf das Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts;
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2 einen ersten exemplarischen Spannungsverlauf ohne Berührung eines Nutzers;
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3 einen zweiten exemplarischen Spannungsverlauf bei Berührung durch einen Nutzer, und
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4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm.
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Zunächst wird anhand von 1 auf den Aufbau und die Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts eingegangen. Anhand von 2 und 3 wird anschließend auf Details der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts eingegangen. Abschließend wird anhand von 4 die detaillierte Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Identische Elemente wurden in ähnlichen Abbildungen zum Teil wiederholt dargestellt und beschrieben.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem 1 dargestellt. Das Beleuchtungssystem 1 beinhaltet dabei ein Betriebsgerät 10 und ein Leuchtmittel 30. Das Betriebsgerät 10 beinhaltet dabei eine Steuereinrichtung 11, welche verbunden ist mit einer Stromversorgung 12, einer Schutzeinrichtung 19 und einem Treiber 13. Die Stromversorgung 12 ist weiterhin mit dem Treiber 13 verbunden. Der Treiber 13 weist dabei Ausgangsklemmen 14, 15 auf, welche mit Eingangsanschlüssen des Leuchtmittels 30 verbunden sind. Das Leuchtmittel 30 besteht hier aus einer Serienschaltung mehrerer Leuchtdioden. Es kann jedoch ebenfalls lediglich eine einzelne Leuchtdiode beinhalten. Hier dargestellt sind darüber hinaus mehrere mögliche Fehlerfälle, welche durch eine Berührung eines oder mehrerer Ausgangsklemmen 14, 15 des Treibers 13 verursacht werden können.
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Ein Widerstand 16 stellt einen Widerstand des menschlichen Körpers bei Berührung des Anschlusses 14 dar. Der Widerstand 16 ist dabei gegen Masse angeordnet. Ein Widerstand 17 stellt den Widerstand des menschlichen Körpers bei Berührung beider Anschlüsse 14, 15 dar. Ein Widerstand 18 stellt den Innenwiderstand des menschlichen Körpers bei Berührung nur des Anschlusses 15 dar. Auch der Widerstand 18 ist gegen Masse geschaltet. Die dargestellten Widerstände 16–18 sind dabei keine real in dem Beleuchtungssystem 1 verbaute Widerstände, sondern verdeutlichen lediglich die schaltungstechnischen Auswirkungen einer Berührung eines der Anschlüsse 14, 15 durch einen Nutzer. Sie sind aus diesem Grund gestrichelt dargestellt. Bei Berührung lediglich des Anschlusses 14 ist lediglich der Widerstand 16 relevant. Bei Berührung lediglich des Anschlusses 15 ist lediglich der Widerstand 18 relevant. Bei Berührung beider Anschlüsse 14, 15 sind sämtliche Widerstände 16–18 relevant.
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Die Stromversorgung 12 wird dabei mittels eines Netzanschlusses versorgt. Gesteuert von der Steuereinrichtung 11 stellt die Stromversorgung 12 dem Treiber 13 eine Gleichspannung zur Verfügung. Gesteuert von der Steuereinrichtung 11 steuert der Treiber 13 das Leuchtmittel 30 an. Der Treiber 13 erzeugt dabei gesteuert von der Steuereinrichtung 11 eine unipolare getaktete DC-Spannung, welche an den Anschlüssen 14, 15 ausgegeben wird. Die erste Versorgungsspannung ist dabei vorzugsweise pulsweitenmoduliert, um eine Dimmung zu ermöglichen. D.h. die unipolare getaktete DC-Spannung verfügt über Ein-Phasen, in welchen eine Spannung zwischen den Anschlüssen 14, 15 anliegt. Die Spannung in den Ein-Phasen ist dabei größer als die kombinierte Durchlassspannung der Leuchtdioden des Leuchtmittels 30. Darüber hinaus verfügt die unipolare getaktete DC-Spannung über Aus-Phasen in welchen keine Spannung zwischen den Anschlüssen 14, 15 gezielt angelegt wird. Aufgrund von parasitären Kapazitäten fällt die Spannung an den Anschlüssen 14, 15 jedoch während der Aus-Phasen lediglich auf die kombinierte Durchlassspannung der Leuchtdioden des Leuchtmittels 30 ab. Da die Leuchtdioden unterhalb ihrer Durchlassspannung einen nahezu unendlichen ohmschen Widerstand aufweisen, kann keine weitere Spannung abfließen. Hierauf wird anhand von 2 näher eingegangen.
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Im Fall einer Berührung eines der Anschlüsse 14, 15 durch einen Nutzer wird eine zusätzliche Möglichkeit zum Abfließen der verbleibenden Ladung in den parasitären Kapazitäten geschaffen. Im Fall eines Berührens des Anschlusses 14 kann die Ladung über den menschlichen Körper dargestellt durch den Widerstand 16 gegen Masse abfließen. Im Fall eines Berührens des Anschlusses 15 kann die Spannung über den menschlichen Körper, dargestellt durch den Widerstand 18 gegen Masse abfließen. Im Fall eines Berührens beider Anschlüsse 14, 15 kann diese verbleibende Spannung über den menschlichen Körper, dargestellt durch den Widerstand 17 direkt vom Anschluss 14 zum Anschluss 15 abfließen. Sofern einer der Anschlüsse 14, 15 selbst auf Massepotenzial liegt, kann über den entsprechenden mit diesem Anschluss 14, 15 verbundenen Widerstand 16, 18 keine Spannung gegen Masse abfließen. Auf das Abfließen dieser Spannung wird anhand von 3 näher eingegangen.
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Die Schutzeinrichtung 19 ist ebenfalls mit den Ausgangsklemmen 14, 15 verbunden und überwacht die Spannung an den Ausgangsklemmen 14, 15. Insbesondere relevant ist dabei der Zeitraum der Aus-Phasen der unipolaren getakteten DC-Spannung. Während dieser Aus-Phasen werden die Spannungen an den Ausgangsklemmen 14, 15 von der Schutzeinrichtung 19 gemessen. Die Schutzeinrichtung 19 vergleicht diese gemessenen Spannungen mit einem Schwellwert und ermittelt basierend hierauf, ob eine Berührung eines der Anschlüsse 14, 15 durch einen Nutzer vorliegt. Der Schwellwert kann dabei voreingestellt sein. Alternativ kann der Schwellwert auch durch einen Nutzer eingestellt werden. Darüber hinaus ist eine Ermittlung des Schwellwerts durch eine Kalibrierung möglich. In diesem Fall wird für die unipolare getaktete DC-Spannung zunächst eine unproblematisch niedrige Amplitude ausgewählt. Es erfolgt eine Messung ohne Berührung eines Anschlusses 14, 15 und anschließend jeweils eine Messung bei Berührung des Anschlusses 14, eine Messung bei Berührung des Anschlusses 15 und eine Messung bei Berührung beider Anschlüsse 14, 15 durchgeführt. Anhand der so gewonnenen Spannungen kann sehr genau ein Schwellwert berechnet werden.
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Sofern im Betrieb durch die Schutzeinrichtung 19 ein Berühren eines oder beider Ausgangsklemmen 14, 15 durch einen Nutzer ermittelt wurde, teilt die Schutzeinrichtung dies der Steuereinrichtung 11 mit. Die Steuereinrichtung 11 verändert nun mit Hilfe des Treibers 13 die an den Ausgangsklemmen 14, 15 ausgegebene Spannung. Einerseits kann die unipolare getaktete DC-Spannung vollständig deaktiviert werden. Alternativ kann die unipolare getaktete DC-Spannung durch eine gesundheitlich weniger problematische Versorgungsspannung ersetzt werden. So kann beispielsweise die Amplitude verringert werden. Alternativ kann eine bipolare DC-Spannung eingesetzt werden. Alternativ ist weiterhin eine amplitudenmodulierte Gleichspannung denkbar. So kann bei geringer Gesundheitsgefahr eine Dimmbarkeit aufrechterhalten werden.
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Nachdem eine Berührung eines der Anschlüsse 14, 15 von der Schutzeinrichtung 19 detektiert wurde, steuert die Steuereinrichtung 11 den Treiber 13, derart, dass dieser für einen ersten Zeitraum t1 die oben beschriebene Veränderung der Spannung an den Ausgangsklemmen 14, 15 durchführt. Sobald der erste Zeitraum t1 verstrichen ist, wird zu der ursprünglichen unipolaren getakteten DC-Spannung zurückgekehrt. D.h., es wird dann erneut die unipolare getaktete DC-Spannung an den Ausgangsklemmen 14, 15 ausgegeben. Die Überwachung durch die Schutzeinrichtung 19 wird dann fortgesetzt. Sobald erneut eine Berührung detektiert wird, wird erneut wie oben beschrieben vorgegangen.
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In 2 ist eine erste Spannung 40 über der Zeit dargestellt. Deutlich erkennbar sind hier die Ein-Phasen 42 und die Aus-Phasen 41. Bei der hier dargestellten Spannung 40 handelt es sich um eine Spannung, welche sich an den Anschlüssen 14, 15 aus 1 einstellt, wenn eine unipolare getaktete DC-Spannung ausgegeben wird. Die Spannung 40 schwankt dabei zwischen Wert Uon, welcher zu den Ein-Phasen auftritt und einer Spannung Uled, welche zu den Aus-Phasen entsteht. Die Spannung Uled entspricht dabei der kombinierten Durchlassspannung der Leuchtdioden des Leuchtmittels 30. Aufgrund von parasitären Kapazitäten innerhalb des Treibers 13 oder absichtlich vorgesehener Kapazitäten innerhalb des Treibers 13 fällt die Spannung in den Aus-Phasen 41 ohne eine Berührung eines der Anschlüsse 14, 15 durch den Nutzer nicht weiter ab, als die Durchlassspannung der LEDs des Leuchtmittels 30.
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In 3 ist eine Spannung 50 über der Zeit dargestellt. Die Spannung 50 entspricht einer Spannung an den Ausgangsklemmen 14, 15, welche im Fall einer Berührung eines der Anschlüsse 14, 15 oder beider Anschlüsse auftritt. Die Spannung 50 schwankt dabei zwischen einer Spannung Uon in Ein-Phasen 52 und einer Spannung Uoff, welche sich nach einem Ausschalten jeweils zu Beginn der Aus-Phasen S1 langsam einstellt. Der Spannungsabfall nach Beginn der Aus-Phasen ist dabei durch ein Abfließen der Ladung in den parasitären Kapazitäten des Treibers 13 oder den absichtlich eingefügten Kapazitäten des Treibers 13 durch den menschlichen Körper, dargestellt durch die Widerstände 16–18, in 1 zu erklären.
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In 3 ist zusätzlich ein Schwellwert 53 dargestellt, welcher zur Entscheidung, ob eine Berührung eines der Anschlüsse 14, 15 durch einen Nutzer vorliegt, herangezogen wird. Der Schwellwert ist hier bei 50% des Abstands zwischen Uoff und Uon gewählt. Sobald die Spannung 50 den Schwellwert 53 unterschreitet, wird dies als Berührung eines Nutzers interpretiert.
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Es kann also beispielsweise kann der Schwellwert 53 als Schutzschwelle bei 50% der Spannung während der Einschaltdauer liegen, d.h. wenn in den Ausschaltzeitdauern die Spannung an den Ausgangsklemmen auf einen Wert unterhalb von 50% der Spannung in der Einschaltzeitdauer absinkt, wird auf das Vorliegend eines „kurzschließenden Widerstands“ über den Ausgangsklemmen, beispielsweise in Form eines menschlichen Körpers, geschlossen und die Schutzreaktion, wie oben erläutert, ausgelöst.
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Abschließend ist in 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt 100 wird eine unipolare getaktete DC-Spannung zum Betreiben eines Leuchtmittels mit zumindest einer LED bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 101 werden Spannungen an Anschlussklemmen des Leuchtmittels gemessen. In einem dritten Schritt 102 werden Spannungen an Anschlussklemmen während der Aus-Phasen der angelegten Spannung bestimmt.
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In einem vierten Schritt 103 wird ermittelt, ob die Spannungen größer als ein vorbestimmter oder ermittelter Schwellwert sind. Ist dies der Fall, wird in dem zweiten Schritt 101 fortgefahren. Ist dies jedoch nicht der Fall, wird in einem fünften Schritt 104 fortgefahren.
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In dem fünften Schritt 104 wird die unipolare getaktete DC-Spannung deaktiviert, verringert oder durch eine bipolare DC-Spannung ersetzt. In einem sechsten Schritt 105 wird für eine Inaktivitätsperiode t1 abgewartet. Sobald die Inaktivitätsperiode t1 abgelaufen ist, wird mit dem ersten Schritt 100 fortgefahren. D.h., es wird erneut die pulsweitenmodulierte erste Versorgungsspannung an das Leuchtmittel angelegt.
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Die unipolare getaktete DC-Spannung, die von dem Treiber 13 erzeugt wird, kann beispielsweise aufgrund einer Spannungs-, Strom oder Leistungsregelung durch den Treiber 13 erzeugt werden. Beispielsweise kann die unipolare getaktete DC-Spannung am Ausgang eine Spannung sein, die sich am Ausgang aufgrund eines von dem Treiber 13 ausgegebenen und geregelt Ausgangsstrom einstellt.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Beliebige Leuchtmittel, welche eine Durchlassspannung aufweisen, können eingesetzt werden. Insbesondere können LED-Strecken unterschiedlicher Länge verwendet werden. Auch eine Anwendung der gegenwärtigen Erfindung bei Betriebsgeräten, welche mehrere Leuchtmittel versorgen, ist möglich. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigte Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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