DE102015103130A1

DE102015103130A1 - Stromversorgungsanordnung, insbesondere für eine LED-Reihenschaltung

Info

Publication number: DE102015103130A1
Application number: DE102015103130.2A
Authority: DE
Inventors: Werner Kösters; Josef Studniorz
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2016-09-08

Abstract

Stromversorgungsanordnung umfassend einen Gleichspannungswandler mit einem steuerbaren Schaltelement (SW) und wenigstens einer Gruppe von Mitteln (R2, R3, T1, T2) zum Regeln eines ersten Stroms durch eine an die Stromversorgungsanordnung angeschlossene Last (LEDs1 bis LED3), insbesondere zur Versorgung einer LED-Reihenschaltung (LED1 bis LED3), vorzugsweise einer LED-Reihenschaltung (LED1 bis LED3) in einem Kraftfahrzeugbordnetz, wobei die Stromversorgungsanordnung einen Eingang aufweist, über den die Stromversorgungsanordnung aus einem Gleichspannungsnetz mit Spannung versorgbar ist, wobei der Gleichspannungswandler an den Eingang der Stromversorgungsanordnung angeschlossen ist und die Gruppe von Mitteln (Stromquelle R2, R3, T1, T2) zum Regeln des ersten Stroms durch eine an die Stromversorgungsanordnung unmittelbar oder unter Zwischenschaltung der Last (LEDs1 bis LED3) mit einem Ausgang des Gleichspannungswandlers verbunden sind, wobei die Stromversorgungsanordnung einen Regler (C) aufweist, mittels dem in einem Bereich des von der Gruppe von Mitteln Gruppe (R2, R3, T1, T2) zum Regeln des Stroms eingestellten ersten Stroms über einer unteren Grenze für diesen ersten Strom und/oder unter einer oberen Grenze für diesen ersten Strom der Gleichspannungswandler außer Wirkung setzbar ist, so dass die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers nicht durch eine Aktivität des Gleichspannungswandlers beeinflusst ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanordnung umfassend einen Gleichspannungswandler mit einem steuerbaren Schaltelement und wenigstens einer Gruppe von Mitteln zum Regeln eines ersten Stroms durch eine an die Stromversorgungsanordnung angeschlossene Last, insbesondere zur Versorgung einer LED-Reihenschaltung, vorzugsweise einer LED-Reihenschaltung in einem Kraftfahrzeugbordnetz, wobei die Stromversorgungsanordnung einen Eingang aufweist, über den die Stromversorgungsanordnung aus einem Gleichspannungsnetz mit Spannung versorgbar ist, wobei der Gleichspannungswandler an den Eingang der Stromversorgungsanordnung angeschlossen ist und die Gruppe von Mitteln zum Regeln des ersten Stroms durch eine an die Stromversorgungsanordnung unmittelbar oder unter Zwischenschaltung der Last mit einem Ausgang des Gleichspannungswandlers verbunden sind.
Leuchtdioden werden im zunehmenden Maße für Beleuchtungszwecke in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Immer wieder kommen dabei Reihenschaltungen von drei bis vier LEDs zum Einsatz, die über einfache und kostengünstige Stromquellen mit Strom versorgt werden können. Geht man zum Beispiel von einer Bordnetzspannung von 12 Volt aus und verwendet Leuchtdioden mit einer Flussspannung von 3 Volt, die in Reihe zu einer Verpolschutzdiode mit einer Flussspannung von ca. 1 Volt geschaltet sind, hat man über diese Reihenschaltung einen Spannungsabfall von 10 Volt. Über eine Gruppe von Mitteln zum Regeln des ersten Stroms durch die Reihenschaltung kann ein Nennstrom eingestellt werden, bei dem die LED den gewünschten Lichtstrom erzeugen. Die Versorgung der LED mit Nennstrom erfolgt in einem Spannungsbereich oberhalb der LED-Vorwärtsspannung problemlos. Sinkt aber die Versorgungsspannung unterhalb die LED-Vorwärtsspannung, ist die lineare Stromquelle nicht mehr in der Lage den eingestellten Strom aufrecht zu erhalten.
Um dem Einbrechen des ersten Stroms durch Unterspannungen entgegenzuwirken, kann eine solche Stromversorgungsanordnung einen Gleichspannungswandler aufweisen, der die Spannung stets so hoch hält, dass die Gruppe von Mitteln zum Regeln des ersten Stroms durch die Reihenschaltung einen ersten Strom einstellen kann, der dem Nennstrom der LED entspricht. Das hat wenigstens zwei Nachteile: Zum Einen muss der verwendete Gleichspannungswandler relativ aufwändig ausgeführt werden, da er für eine dauerhafte Belastung mit dem Nennstrom ausgelegt ist. Zum Anderen verursacht der ständig wirksame Gleichspannungswandler elektromagnetische Störungen, die durch aufwändige Maßnahmen verringert werden müssen.
Ebenso können Überspannungen Störungen verursachen, die durch den Gleichspannungswandler ausgeglichen werden können.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, eine Stromversorgungseinrichtung der eingangsgenannten Art so zu verbessern, dass geringere elektromagnetische Störungen auftreten und der Gleichspannungswandler kleiner ausgelegt werden kann.
Diese Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Stromversorgungsanordnung einen Regler aufweist, mittels dem in einem Bereich des von der Gruppe von Mitteln zum Regeln des Stroms eingestellten ersten Stroms über einer unteren Grenze für diesen ersten Strom und/oder unter einer oberen Grenze für diesen ersten Strom der Gleichspannungswandler außer Wirkung setzbar ist, so dass die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers nicht durch eine Aktivität des Gleichspannungswandlers beeinflusst ist.
In diesem Bereich zwischen der unteren und der oberen Grenze oder oberhalb der oberen Grenze oder unterhalb der oberen Grenze bleibt der Gleichspannungswandler ohne Wirkung und die Spannung am Eingang der Stromquelle wird durch einen Betrieb des Gleichspannungswandlers nicht verändert. Möglich ist allerdings, dass Bauelemente zum Beispiel des Gleichspannungswandlers zwischen dem Eingang der Stromversorgungsanordnung und dem Eingang der Stromquelle angeordnet sind, die einen Spannungsabfall zwischen dem Eingang der Stromversorgungsanordnung und dem Eingang der Stromquelle nach sich ziehen können.
Gemäß der Erfindung kann dagegen außerhalb des vorgenannten Bereichs, in dem der Gleichspannungswandler nicht wirkt, das Schaltelement des Gleichspannungswandlers aufgrund eines Stellsignals des Reglers durch ein Ein- und Ausschalten die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers einstellen, d.h. der Gleichspannungswandlers wird aufgrund eines Stellsignals des Reglers wirksam.
Die Erfindung hat u.a. den Vorteil, dass der Gleichspannungswandler nur in den Bereichen wirksam ist, bei denen die Spannung am Eingang der Stromquelle und in der Folge auch der von der Stromquelle bereitgestellte Strom über ein durch die untere und/oder obere Grenze festgelegtes Maß abweicht. Innerhalb des Bereichs wird der Gleichspannungswandler nicht verwendet. Das Schaltelement des Gleichspannungswandlers wird nicht betätigt. Elektromagnetische Störungen werden schon allein dadurch erheblich reduziert. Legt man insbesondere die untere Grenze so niedrig, zum Beispiel auf 60 bis 80%, vorzugsweise 65% des Nennstroms der Stromquelle, wird der Gleichspannungswandler nur bei sehr deutlichen Unterspannungen wirksam. Wird die Stromversorgungsanordnung dazu noch so ausgelegt, dass im Falle eines ersten Stroms unter der unteren Grenze die Spannung nur soweit heraufgesetzt wird, dass der erste Strom einen Wert zwischen der unteren Grenze und dem Nennstrom, vorzugsweise der Strom einen Wert an der unteren Grenze erreicht, kann der Gleichspannungswandler auf diese geringeren elektrischen Größen ausgelegt werden, was Kosten sparen hilft.
Das Aktivieren und Deaktivieren des Gleichspannungswandlers, d.h. das wirksam werden lassen und das unwirksam werden lassen, kann durch einen Zweipunktregler realisiert werden, der vorzugsweise eine Hysterese hat. Zweipunktregler werden auch als Hystereseregler bezeichnet.
Der Zweipunktregler kann integraler Bestandteil eines Steuerungsmittels des Gleichspannungswandlers sein, der neben dem Steuerungsmittel einen Leistungsteil, umfassend zumindest eine Drossel, das Schaltelement und eine Freilaufdiode aufweist. Der Leistungsteil des Gleichspannungswandlers weist vorzugsweise auch einen Eingangskondensator und/oder einen Ausgangskondensator auf. Der Zweipunktregler kann das Stellsignal für die Ansteuerung des Schaltelementes erzeugen. Ebenso ist es möglich, dass der Zweipunktregler ein Signal erzeugt, welches einem weiteren Regler des Steuerungsmittels anzeigt, ob der Gleichspannungswandler wirksam sein soll und ob dieser weitere Regler ein Stellsignal für das Schaltelement erzeugen soll oder nicht.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass der Gleichspannungswandler durch den Regler dadurch außer Wirkung gesetzt wird, dass das Schaltelement des Wandlers durch ein Ausgangssignal des Reglers oder durch das Ausgangssignal des weiteren Reglers in einen andauernden Zustand versetzt wird, so dass ein wechselndes Auf- und Entladen der Drossel und das dadurch erreichte Heraufsetzen der Spannung unterbleibt, welches erfolgt, wenn der Gleichspannungswandler wirksam ist.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, dass der Regler oder das Steuermittel des Gleichspannungswandlers einen Sensor zum Erfassen der Spannung am Eingang der Stromversorgungsanordnung, des Eingangsstroms der Stromversorgungsanordnung und/oder des ersten Stroms aufweist. Ist die durch den Sensor erfasste Größe die der Spannung am Eingang der Stromversorgungsanordnung oder des Eingangsstroms der Stromversorgungsanordnung, kann anhand dieser Größe der von der Stromquelle gelieferte Strom ermittelt werden. Diese Größe kann daher unmittelbar oder nach Ermittlung des ersten Stroms als Eingangsgröße des Reglers, insbesondere des Zweipunktreglers verwendet werden.
Erfindungsgemäß kann ein Verfahren zum Versorgen einer LED-Reihenschaltung mit elektrischem Strom durch eine erfindungsgemäße Stromversorgungsanordnung sich dadurch von anderen Verfahren zum Versorgen von LED-Reihenschaltungen unterscheiden, dass zunächst die Spannung am Eingang der Stromversorgungsanordnung, der Eingangsstrom der Stromversorgungsanordnung und/oder der erste Strom erfasst wird. Dann kann eine Regelung des Gleichspannungswandlers in Abhängigkeit von der erfassten Größe derart erfolgen, dass der Gleichspannungswandler zur Einstellung der Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers nur dann wirksam ist, wenn der von der Stromquelle gelieferte Strom unterhalb der unteren Grenze oder oberhalb der oberen Grenze liegt und dass der Gleichspannungswandler zur Einstellung der Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers nur dann unwirksam ist, wenn der erste Strom oberhalb der unteren Grenze und/oder unterhalb der oberen Grenze liegt.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung
Die in 1 dargestellte Stromversorgungsanordnung weist einen Aufwärtswandler als Gleichspannungswandler mit einem Hystereseregler C und einem Messwiderstand R₁ als Steuerungsteil und einer bekannten Schaltung aus einer Drossel L, einer Freilaufdiode D₁, einem Schaltelement SW und einem Ausgangskondensator C₁ auf.
Der Messwiderstand R₁ ist mit einem Anschluss für das positive Potential des Eingangs der Stromversorgungsanordnung verbunden. Beide Anschlüsse des Messwiderstands sind einem Eingang des Hysteresereglers C zugeführt. Der Ausgang des Hysteresereglers C ist mit einem Steueranschluss des Schaltelementes SW verbunden. Im Leistungspfad des Gleichspannungswandlers liegt in Reihe zu dem Messwiderstand R1 die Drossel L. Hinter der Drossel L verzweigt der Leistungspfad. Ein Weg führt über das Schaltelement SW zum Bezugspotential. Ein anderer Weg führt über die Freilaufdiode D1 zum Ausgang des Gleichspannungswandlers Parallel zu dem Ausgang ist der Ausgangskondensator C₁ angeordnet.
Der Leistungsteil des Aufwärtswandlers, wie er in der 1 dargestellt ist, entspricht einem üblichen Leistungsteil eines Aufwärtswandlers. Anstelle des dargestellten Leistungsteils kann auch ein anderer Leistungsteil verwendet werden.
Auch das Steuermittel kann durch ein anderes Steuermittel ersetzt werden. Damit dennoch eine erfindungsgemäße Stromversorgungsanordnung vorliegt, muss dabei lediglich darauf geachtet werden, dass die Stromversorgungsanordnung die Möglichkeit bietet, den Aufwärtswandler unwirksam bzw. wirksam werden zu lassen.
Der Ausgang des Gleichspannungswandlers ist einerseits mit einer Reihenschaltung von LEDs1 bis LED3 verbunden. Andererseits ist der Ausgang mit einem Eingang einer Gruppe von Mitteln zum Regeln des Stroms durch die LED-Reihenschaltung, d.h. des ersten Stroms verbunden. Diese Gruppe ist auch mit der Reihenschaltung der LEDs sowie dem Bezugspotential verbunden und umfasst als Mittel zur Einstellung des Stromes einen Eingangswiderstand R1, zwei Transistoren T1, T2 und einen Messwiderstand R3.
Der Eingangswiderstand R2 ist einerseits mit dem Anschluss für das positive Potential des Ausgangs des Gleichspannungswandlers und zum anderen mit einer Basis eines ersten der beiden Transistoren T1, T2 verbunden. Ein Kollektor des ersten Transistors ist mit einer Kathodenseite der Reihenschaltung der LEDs verbunden. Ein Emitter des ersten Transistors ist mit einer Basis eines zweiten der beiden Transistoren T1, T2 und mit einem ersten Anschluss des Messwiderstands R3 verbunden. Die Basis des ersten Transistors T1 ist mit einem Kollektor des zweiten Transistors T2 verbunden, während der Emitter des zweiten Transistors T2 ebenso wie ein zweiter Anschluss des Messwiderstands R3 mit dem Bezugspotential verbunden sind. Damit ergibt sich eine übliche Schaltung, mit welcher der erste Strom durch die LEDs geregelt werden kann, wozu der erste Strom über den Messwiderstand R3 erfasst wird.
Die Regelung eines Stroms durch eine LED-Reihenschaltung durch eine Gruppe von Mitteln zur Regelung ist an sich bekannt. Die in der 1 dargestellte Gruppe von Mitteln ist nur eine von vielen möglichen. Jede geregelte Stromquelle kann im Prinzip anstelle der ausgewählten und dargestellten Gruppe von Mitteln verwendet werden.
Die Gruppe von Mitteln zur Regelung stellt den Strom durch die LED-Reihenschaltung, also den ersten Strom auf einen Nennstrom ein. Das gelingt den Mitteln aber nur dann, wenn die Spannung, die das Bordnetz dazu zur Verfügung stellt, größer oder gleich dem Spannungsabfall über der Reihenschaltung ist. Da die Spannung im Bordnetz kleiner sein kann als der Spannungsabfall über der Reihenschaltung, wurde schon in der Vergangenheit ein Aufwärtswandler gewählt, um die Spannung des Bordnetzes hochzusetzten.
Der Aufwärtswandler, wie er in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 verwendet wird, weist einen besonderen Regler, nämlich einen Hystereseregler auf. Eine obere und eine untere Grenze des Hysteresereglers sind so gewählt, dass der Aufwärtswandler nicht ständig die Spannung am Ausgang des Aufwärtswandler regelt, sondern nur dann, wenn die Spannung im Bordnetz soweit absinkt, dass der erste Strom unter einen definierten Wert von z.B. 65% des Nennstroms absinkt, ohne dass die Mittel zur Regelung des ersten Stroms daran etwas ändern könnten. Erst wenn der erste Strom trotz Regelung durch die Mittel zur Regelung des ersten Stroms auf 65% des Nennstroms abgesunken ist, wird der Aufwärtswandler wirksam und hebt die Spannung am Ausgang des Aufwärtswandlers an, so dass die Mittel zur Regelung des ersten Stroms einen Strom von 65% des Nennstroms einstellen können.
Bezugszeichenliste

C

Hystereseregler

R₁

Messwiderstand

L

Drossel

D₁

Freilaufdiode

SW

Schaltelement

C₁

Ausgangskondensator

LED₁ bis LED₃

Leuchtdioden

T₁

Transistor

T₂

Transistor

R₂

Eingangswiderstand

R₃

Messwiderstand

Claims

Stromversorgungsanordnung umfassend einen Gleichspannungswandler mit einem steuerbaren Schaltelement (SW) und wenigstens einer Gruppe von Mitteln (R₂, R₃, T₁, T₂) zum Regeln eines ersten Stroms durch eine an die Stromversorgungsanordnung angeschlossene Last (LED₁ bis LED₃), insbesondere zur Versorgung einer LED-Reihenschaltung (LED₁ bis LED₃), vorzugsweise einer LED-Reihenschaltung (LED₁ bis LED₃) in einem Kraftfahrzeugbordnetz, wobei die Stromversorgungsanordnung einen Eingang aufweist, über den die Stromversorgungsanordnung aus einem Gleichspannungsnetz mit Spannung versorgbar ist, wobei der Gleichspannungswandler an den Eingang der Stromversorgungsanordnung angeschlossen ist und die Gruppe von Mitteln (R₂, R₃, T₁, T₂) zum Regeln des ersten Stroms durch eine an die Stromversorgungsanordnung unmittelbar oder unter Zwischenschaltung der Last (LED₁ bis LED₃) mit einem Ausgang des Gleichspannungswandlers verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungsanordnung einen Regler (C) aufweist, mittels dem in einem Bereich des von der Gruppe von Mitteln Gruppe (R₂, R₃, T₁, T₂) zum Regeln des Stroms eingestellten ersten Stroms über einer unteren Grenze für diesen ersten Strom und/oder unter einer oberen Grenze für diesen ersten Strom der Gleichspannungswandler außer Wirkung setzbar ist, so dass die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers nicht durch eine Aktivität des Gleichspannungswandlers beeinflusst ist.
Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Reglers (C) beim Unterschreiten der unteren Grenze durch den ersten Strom oder beim Überschreiten der oberen Grenze durch den ersten Strom das Schaltelement des Gleichspannungswandlers aufgrund eines Stellsignals des Reglers (C) durch ein Ein- und Ausschalten die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers einstellbar ist, d.h. der Gleichspannungswandler aufgrund eines Stellsignals des Reglers (C) wirksam ist.
Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (C) ein Zweipunktregler ist.
Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweipunktregler (C) bei einem Unterschreiten der unteren Grenze den Gleichspannungswandler wirksam werden lässt, um den ersten Strom auf einen Wert zwischen der unteren Grenze für den ersten Strom und einem Nennstrom der Stromquelle oder auf die untere Grenze für den ersten Strom einzustellen.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (C) integraler Bestandteil eines Steuermittels des Gleichspannungswandlers ist.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, der Regler (C) und das Steuermittel nicht in einer Komponente integriert sind.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (C) den Gleichspannungswandler dadurch außer Wirkung setzt, dass er das Schaltelement ausschaltet.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (C) den Gleichspannungswandler dadurch wirksam werden lässt, dass er das Schaltelement zum Hoch- oder Tiefsetzen der Spannung am Eingang im Wechsel ein- und ausschaltet, um eine Drossel des Gleichspannungswandlers aufzuladen oder zu entladen.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler oder das Steuermittel des Gleichspannungswandlers einen Sensor zum Erfassen der Spannung am Eingang der Stromversorgungsanordnung, des Eingangsstroms der Stromversorgungsanordnung und/oder des ersten Stroms aufweist.
Verfahren zum Versorgen einer LED-Reihenschaltung mit elektrischem Strom durch eine Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch – ein Erfassen der Spannung am Eingang der Stromversorgungsanordnung, des Eingangsstroms der Stromversorgungsanordnung und/oder des ersten Stroms, und – einer Regelung des Gleichspannungswandlers in Abhängigkeit von der erfassten Größe derart, – dass der Gleichspannungswandler zur Einstellung der Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers wirksam ist, wenn der erste Strom unterhalb der unteren Grenze oder oberhalb der oberen Grenze liegt, und – dass der Gleichspannungswandler zur Einstellung der Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers unwirksam ist, wenn der erste Strom oberhalb der unteren Grenze und/oder unterhalb der oberen Grenze liegt.