DE102015202814A1

DE102015202814A1 - Geschalteter AC Direkttreiber für Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102015202814A1
Application number: DE102015202814.3A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Tridonic Jennersdorf GmbH
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-03-31
Also published as: AT16192U1; GB2530766A; GB201417345D0; WO2016049671A1

Abstract

Es ist ein Treiber zum Ansteuern von mindestens einem Strang von LEDs mit einer gleichgerichteten Wechselspannung vorgesehen, mit Eingangsklemmen zum Zuführen einer gleichgerichteten Wechselspannung, einer Steuerschaltung, der ein die Amplitude oder die Phase der Wechselspannung anzeigendes Signal zugeführt wird, sowie einem Schaltnetz mit Schaltern, wobei jeder Schalter derart angeordnet ist, dass er einen Teilstrang von einer oder mehreren LEDs des LED-Stranges wahlweise parallel schaltet oder aktiviert, wobei die Steuerschaltung derart ausgeführt ist, dass sie jeden der Schalter unabhängig derart steuert, dass die kombinierte Durchlassspannung der aktivierten Teilstränge von LEDs der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung schrittweise folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung so ausgeführt ist, dass sie mindestens zwei aktive Teilstränge von LEDs abwechseln lässt, die die gleiche kombinierte Durchlassspannung während des Zeitraumes eines Schrittes aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Treiber zur Ansteuerung von mindestens einem Strang von Leuchtdioden und insbesondere, um einen LED-Strang mit einer gleichgerichteten Wechselspannung direkt anzusteuern. „Direktansteuerung” bedeutet, dass es beispielsweise keinen zugehörigen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (AC/DC Wandler) zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung zur Ansteuerung des LED-Stranges gibt. Der LED-Strang umfasst Eingangsklemmen, an welchen die zugeführte Wechselspannung, insbesondere eine gleichgerichtete Wechselspannung bereitgestellt wird.
1a zeigt ein Diagramm einer Wechselspannungshalbwelle. 1b zeigt schematisch einen Ansatz aus dem Stand der Technik, bei dem ein Regler parallel zu Leuchtdioden angeordnete Schalter steuert, um die Leuchtdioden wahlweise zu aktivieren. Allerdings haben die LED-Strangabschnitte alle dieselbe Länge und somit fällt dieselbe Durchlassspannung V_F1, ..., V_F4 an jeder LED der in Reihe mit einem Widerstand R geschalteten Leuchtdioden ab.
In 1a zeigen die schraffierten Bereiche Stromverluste, die sich aus dem Unterschied der tatsächlichen Spannungsentwicklung und der Durchlassspannung der schrittweise aktivierten Leuchtdioden des in 1b dargestellten LED-Strangs ergeben. Dies führt zu der stufenförmigen Kurve wie in 1a dargestellt, wobei jede Stufe das Ergebnis der Aktivierung einer LED darstellt.
Die Erfindung stellt somit eine Lösung zum Ansteuern eines LED-Stranges direkt von einer Versorgungswechselspannung bereit, während bei Betätigung des LED-Stranges Verluste verringert werden.
Damit stellt die Erfindung einen Treiber zum Ansteuern eines LED-Stranges sowie ein Verfahren zum Ansteuern des Stranges von Leuchtdioden gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Weitere Aspekte der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In einem ersten Aspekt wird ein Treiber zum Ansteuern von mindestens einem Strang von Leuchtdioden mit einer gleichgerichteten Wechselspannung bereitgestellt, welcher Eingangsklemmen, denen eine gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, eine Steuerschaltung, der ein die Amplitude oder die Phase der Wechselspannung anzeigendes Signal zugeführt wird, sowie ein Schaltnetz mit zwei oder mehr Schaltern umfasst, wobei jeder Schalter zum wahlweisen Parallelschalten oder Aktivieren eines Teilstranges aus einer oder mehreren Leuchtdioden des LED-Stranges angeordnet ist.
Die Steuerschaltung ist so ausgeführt, dass sie jeden der Schalter unabhängig derart steuert, dass die kombinierte Durchlassspannung der aktivierten Teilstränge von LEDs der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung schrittweise folgt.
Vorzugsweise ist die Steuerschaltung derart ausgeführt, dass sie mindestens zwei aktive Teilstränge von Leuchtdioden, welche dieselbe kombinierte Durchlassspannung während des Zeitraumes eines Schrittes haben, abwechseln lässt.
Die Steuerschaltung kann die Schalter entsprechend einem elektrischen Parameter steuern, z. B. einem gemessenen Wechselspannungsamplitudenwert steuern, wobei die Anzahl an aktivierten Teilsträngen von dem Stromwert des elektrischen Parameters abhängig ist.
Ein (vorzugsweise linearer) Stromregler kann in Reihe mit den Leuchtdioden vorgesehen sein. Die Steuerschaltung kann mit einem Signal versorgt werden, das den Spannungsabfall über dem Stromregler darstellt. Der Spannungsabfall über dem Stromregler kann als zumindest ein elektrischer Parameter verwendet werden, auf dessen Grundlage die Steuerschaltung die LED-Teilstränge aktiviert/deaktiviert.
Ein zusätzlicher LED-Teilstrang (oder ein weiterer LED-Teilstrang mit einer höheren Durchlassspannung) kann aktiviert werden, wenn der Spannungsabfall über dem Stromregler einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Ein LED-Teilstrang kann deaktiviert (oder durch einen weiteren aktivierten LED-Teilstrang mit einer geringeren Durchlassspannung ersetzt) werden, wenn der Spannungsabfall über dem Stromregler unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt.
Die Steuerschaltung kann den Sollwert (Stromnennwert) des Stromreglers steuern, um die dem LED-Strang zugeführte Energie zu steuern.
Der Stromnennwert kann geändert werden, um ein Dimmen der Leuchtdioden zu erzielen.
Die Steuerschaltung kann direkt oder indirekt die Spitzenamplitude der Wechselspannung erfassen und den Stromnennwert des Stromreglers in Abhängigkeit derselben einstellen, z. B. um zu gewährleisten, dass die dem LED-Strang zugeführte Energie konstant ist, auch wenn eine schwankende Versorgungswechselspannung vorliegt.
Die Steuerschaltung kann einen bestimmten Teilstrang abhängig von dem elektrischen Parameter aktivieren, z. B. zumindest einen bestimmten Teilstrang für einen bestimmten Wert oder einen Wertebereich.
Die Steuerschaltung kann alle dem elektrischen Parameterwert oder -wertebereich entsprechenden Teilstränge zyklisch aktivieren, indem die jeweiligen Schalter geschaltet werden, insbesondere ist die Steuerschaltung so ausgeführt, dass sie die jeweiligen Schalter periodisch ein- und ausschaltet.
Ein Kondensator kann mit jedem Teilstrang parallel geschaltet werden.
Der Kondensator kann den zugeordneten Teilstrang ansteuern, wenn der zugeordnete Schalter so eingestellt ist, dass er den Teilstrang oder Teile desselben parallelschaltet/überbrückt, z. B. mindestens eine LED des Teilstranges.
Mindestens zwei Teilstränge können eine unterschiedliche Länge aufweisen, beispielsweise mit einer unterschiedlichen Anzahl an Leuchtdioden.
Die Steuerschaltung kann bestimmte Teilstränge abhängig von einer Erhöhung oder Verringerung des elektrischen Parameterwertes schrittweise aktivieren und deaktivieren, beispielsweise einer Sinuskurve der Wechselspannung folgend.
Die Steuerschaltung kann einen Stromregler des LED-Stranges steuern.
Die Steuerschaltung kann ein Rückkopplungssignal, z. B. ein Spannungsmesssignal, von einem Nebenschluss an dem Spannungsregler erhalten, der insbesondere einen Stromfluss durch den LED-Strang anzeigt.
Die Steuerschaltung kann aus einem ASIC oder Mikrocontroller bestehen.
Jeder Teilstrang kann mindestens eine LED umfassen.
In einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Ansteuern von mindestens einem Strang von Leuchtdioden mit einer gleichgerichteten Wechselspannung vorgesehen, mit Eingangsklemmen zum Zuführen einer gleichgerichteten Wechselspannung, einer Steuerschaltung, welcher ein die Amplitude oder die Phase der Wechselspannung anzeigendes Signal zugeführt wird, und einem Schaltnetz mit Schaltern, wobei jeder Schalter zum wahlweisen Parallelschalten oder Aktivieren eines Teilstranges von einer oder mehreren LEDs des LED-Stranges angeordnet ist.
Die Steuerschaltung steuert jeden der Schalter unabhängig derart, dass die kombinierte Durchlassspannung der aktivierten Teilstränge von Leuchtdioden der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung schrittweise folgt.
Vorzugsweise lässt die Steuerschaltung mindestens zwei aktive Teilstränge von Leuchtdioden mit derselben kombinierten Durchlassspannung während des Zeitraumes eines Schrittes abwechseln.
Weiterhin ist ein Treiber zum Ansteuern von mindestens einem Strang von LEDs mit einer gleichgerichteten Wechselspannung vorgesehen, der Eingangsklemmen zum Zuführen einer gleichgerichteten Wechselspannung, eine Steuerschaltung, die mit einem die Amplitude oder die Phase der Wechselspannung anzeigenden Signal beliefert wird, und ein Schaltnetz mit Schaltern umfasst, wobei jeder Schalter zum wahlweisen Parallelschalten oder Aktivieren eines Teilstranges von einer oder mehreren Leuchtdioden des LED-Stranges angeordnet ist, wobei die Steuerschaltung so ausgeführt ist, dass sie jeden der Schalter unabhängig derart steuert, dass die kombinierte Durchlassspannung der aktivierten Teilstränge von Leuchtdioden der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung schrittweise folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstränge LEDs gemäß einer eingestellten Frobenius-Zahlenmenge enthält.
Die Erfindung wird nun auch mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Insbesondere zeigen die Figuren in:
1a eine Halbwelle einer Wechselspannung;
1b einen aus dem Stand der Technik bekannten adaptiven LED-Schaltkreis;
2 einen erfindungsgemäßen LED-Strang;
3 Messpunkte auf einer Halbwelle einer Wechselspannung;
4 eine erfindungsgemäße Schaltkreisanordnung;
5 einen weiteren erfindungsgemäßen LED-Strang;
6 wiederum einen weiteren erfindungsgemäßen LED-Strang.
Eine Wechselspannung und insbesondere eine gleichgerichtete Wechselspannung versorgt direkt mindestens einen LED-Strang, der in mindestens zwei, normalerweise mehrere Teilstränge unterteilt ist, welche wahlweise Schalter darstellen, um Leuchtdioden des LED-Stranges/der Teilstränge zu überbrücken.
Es ist ein Schaltnetz vorgesehen, bei dem mindestens ein Schalter einem Teilstrang zugeordnet ist, der mindestens eine LED umfasst, so dass mindestens ein Teilstrang vollständig überbrückt/parallelgeschaltet oder durch Schalten des zugeordneten Schalters betätigt werden kann.
Die Schalter des Schaltnetzes können von einer Steuerschaltung gesteuert werden und können auch so angeordnet sein, dass sie Abschnitte der Teilstränge parallelschalten oder aktivieren. Die Steuerschaltung kann ein Mikrocontroller, IC oder ASIC sein, der die Schalter, zum Beispiel Transistoren, FET, MOSFET, schaltet, um Teilstränge des LED-Stranges wahlweise kurzzuschließen oder zu überbrücken, so dass die Teilstränge keine Energie aufnehmen. Es können mehr als ein LED-Strang parallel oder in Reihe angeordnet sein.
Die Steuerschaltung verfolgt oder überwacht die Wechselspannungs- oder Stromentwicklung. Insbesondere wird ein elektrischer Parameter der Wechselspannung überwacht, z. B. die Amplitude der Wechselspannung oder des Wechselstroms. Nachfolgend wird aus Gründen der Klarheit nur der Begriff Wechselspannung verwendet.
Je nach der erfassten Wechselspannung oder dem elektrischen Parameter werden ausgewählte Teilstränge des LED-Stranges aktiviert oder deaktiviert.
Insbesondere entspricht die Aktivierung von Teilsträngen ihrer Durchlassspannung, und der erfasste elektrische Parameter und insbesondere die Steuerschaltung entscheidet, Teilstränge der LEDs mit einer kombinierten Durchlassspannung entsprechend dem erfassten elektrischen Parameter oder Amplitudenwert der Wechselspannung zu aktivieren.
In dem LED-Strang kann möglicherweise mehr als ein Teilstrang oder eine Kombination aus Teilsträngen vorhanden sein, welche dieselbe kombinierte Durchlassspannung aufweisen. Ein Ziel der Erfindung besteht darin, mindestens zwei Teilstränge, die dieselbe kombinierte Durchlassspannung aufweisen, abwechselnd zu betätigen. Somit ermöglicht die Erfindung in einem Zeitraum, in dem entsprechend dem erfassten elektrischen Parameter ein bestimmter LED-Teilstrang oder eine Kombination von Teilsträngen normalerweise aktiviert wird, das Umschalten zwischen Teilsträngen von Leuchtdioden mit derselben (kombinierten) Durchlassspannung. Das bedeutet, dass anstatt des Betätigens von nur einem Teilstrang oder einer Kombination von Teilsträngen in demselben Zeitraum mindestens zwei Teilstränge aktiviert werden und die Steuerschaltung so ausgeführt ist, dass sie diese mindestens zwei aktiven Teilstränge abwechseln lässt. Dadurch ist ein „Multiplexen” der Betätigung des Teilstranges möglich.
Beispielsweise sollte in einem Zeitraum der Wechselstrom-Sinuskurve ein bestimmter Teilstrang des LED-Stranges eingeschaltet werden. Der entsprechende Schalter des Schaltnetzes ist eingeschaltet oder leitend, und daher wird der Teilstrang deaktiviert oder überbrückt. Es kann der Fall sein, dass nur ein Teilstrang aktiviert werden soll, aber kein weiterer Teilstrang aktiviert werden sollte. Allerdings könnte es zwei Teilstränge mit derselben Durchlassspannung geben. In diesem Fall ist der aktivierte Teilstrang in diesem Zeitraum nicht immer derselbe, sondern vielmehr können die Teilstränge mit derselben Durchlassspannung zyklisch oder periodisch ein- und ausgeschaltet werden.
Dies hat den Vorteil einer besseren Nutzung aller Leuchtdioden und aufgrund der hohen Schaltfrequenz führt die Multiplex-Nutzung nicht zu Flackereffekten, welche ansonsten vom menschlichen Auge wahrgenommen werden könnten. Die Schaltfrequenz der wechselnden Aktivierung der Teilstränge kann daher vorzugsweise über 90 Hz liegen.
Ein Kondensator könnte mit jedem LED-Teilstrang parallel geschaltet werden. Angesichts der Tatsache, dass es eine Multiplex-Nutzung der Teilstränge, wie vorstehend beschrieben, während einer Einschaltzeit jedes Teilstranges gibt, wird der Kondensator aufgeladen. Sobald der zugeordnete Schalter des Schaltnetzes in seinen leitenden Zustand geschaltet wird, der zu einem Kurzschließen der Leuchtdioden des jeweiligen Teilstranges führt, steuert der aufgeladene Kondensator weiterhin die LEDs des Teilstranges über eine Zeit in Abhängigkeit der Größe des Kondensators an. Nachdem der Schalter in seinen leitenden Zustand geschaltet ist, entlastet der Kondensator die Versorgung der Leuchtdioden des Teilstranges und führt somit zu einem verbesserten Nutzungsverhältnis jeder Leuchtdiode, verhindert jedoch auch ein Flackern, wenn auf einen anderen Teilstrang geschaltet wird.
Weiterhin besteht das Unterteilungsschema des LED-Stranges darin, dass der LED-Strang nicht in Teilstränge von gleicher Länge unterteilt werden muss, sondern im Wesentlichen in Teilstränge von unterschiedlicher Länge. Es könnte zwar mehr als ein Teilstrang mit derselben Länge vorhanden sein, aber normalerweise gibt es mindestens einen Teilstrang, der kürzer oder länger ist. Wenn dieselben Leuchtdioden über den gesamten LED-Strang eingesetzt werden, kann die Länge eines Teilstranges als die Anzahl von Leuchtdioden in dem Teilstrang betrachtet werden. Wenn verschiedenartige Leuchtdioden eingesetzt werden, können die Teilstränge gemäß ihrer Durchlassspannung klassifiziert werden. In diesem Fall können die Teilstränge aus verschiedenen Klassen stammen, aber es können auch zwei oder mehr Teilstränge aus derselben Klasse stammen.
Das Aktivieren von Teilsträngen mit verschiedener Länge ermöglicht im Ergebnis das Betätigen der LEDs des LED-Stranges und das Steuern seiner Durchlassspannung auf eine Art und Weise, die der Wechselspannung oder dem elektrischen Parameter über die Spannungs-/Stromzyklen oder -phase genauer folgt.
Die Steuerschaltung aktiviert die Teilstränge in Abhängigkeit der erforderlichen Durchlassspannung und berechnet insbesondere eine Auswahl der Teilstränge, die am besten zu dem erfassten elektrischen Parameter der Spannungskurve passt, der die gleichgerichtete Wechselspannung folgt.
Beispielsweise kann der LED-Strang einen Teilstrang i umfassen, der 2^i-1 Leuchtdioden mit i = {1, ..., n} aufweist. Sodann kann die Steuerschaltung den eine LED enthaltenden Teilstrang aktivieren, falls eine niedrige Amplitude der Wechselspannung oder ein bestimmter Wert des elektrischen Parameters einen bestimmten Schwellenwert übertrifft oder überschreitet. Wenn die Wechselspannung ansteigt, kann der Teilstrang mit zwei Leuchtdioden betätigt werden. Wenn die Wechselspannung weiter ansteigt, können der Teilstrang mit zwei Leuchtdioden und der Teilstrang mit einer LED betätigt werden. Danach könnte der Teilstrang mit vier Leuchtdioden betätigt werden und so weiter. Dies könnte einem in etwa binären Zählaktivierungsschema entsprechen. Falls es jedoch zwei Teilstränge mit beispielsweise vier LEDs gibt, könnten diese Teilstränge abwechselnd betätigt werden.
Somit können Erweiterungen mit einer Feinkornauflösung vorgenommen werden, die mit der Auflösung eines AC/DC-Wandlers vergleichbar ist. Verluste werden während der Betätigung des LED-Stranges reduziert, da es die aktivierten LED-Stränge ermöglichen, der auf den LED-Strang aufgebrachten Wechselspannung genauer zu folgen. Die Verluste stellen insbesondere eine Funktion des Unterschiedes der Versorgungswechselspannung/Stromamplitude oder der Wechselstrom-Sinuskurve und der Durchlassspannung der momentan aktivierten Stränge dar. Die Verluste treten im Wesentlichen an einem mit dem LED-Strang in Reihe geschalteten Stromregler auf, der überschüssige Spannung umwandeln oder verbrauchen muss.
Die Steuerschaltung kann aus einem Mikroprozessor bestehen, der die Schalter des Schaltnetzes steuert, die für jeden Teilstrang vorgesehen sind. Die Steuerschaltung kann auch einen Stromregler steuern, z. B. einen einzelnen Stromregler für den LED-Strang, und kann als ein Rückkopplungssignal z. B. ein Spannungsmesssignal von einem Nebenschluss in Reihe mit dem Spannungsregler empfangen, das den Stromfluss durch den LED-Strang hindurch anzeigt. Das Rückkopplungssignal kann mit einem vorgegebenen Nennwert verglichen werden. Die Steuerschaltung kann daraufhin den Stromregler so steuern, dass er mit dem Nennwert übereinstimmt.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen LED-Strang L1 mit 90 LEDs, 10 Teilstränge S1 bis S10 und folglich ein Schaltnetz SN aus 10 Schaltern, um wahlweise die jeweiligen Teilstränge S1 bis S10 abzukürzen. Die Eingangsklemmen C1 und C2, die mit einer gleichgerichteten Wechselspannung versorgt werden, sind ebenfalls dargestellt. Die Teilstränge S1 bis S10 können eine unterschiedliche Anzahl von LEDs enthalten, es könnten beispielsweise, wie in 2 dargestellt, fünf Teilstränge S1 bis S5 mit 14 LEDs (nicht alle LEDs sind dargestellt), zwei Teilstränge S6, S7 mit 7 LEDs, ein Teilstrang S8 mit drei LEDs, ein Teilstrang S9 mit zwei LEDs und ein Teilstrang S10 mit 1 LED vorliegen. Somit weist der dargestellte LED-Strang L1 90 LEDs mit 10 Teilsträngen S1 bis S10 sowie 10 Schalter auf, um die Teilstränge S1 bis S10 wahlweise parallelzuschalten oder zu aktivieren. Es ist auch möglich, dass 10 Stromregler anstatt der Schalter des Schaltnetzes SN vorliegen.
Eine Steuerschaltung CC, die die Schalter aktiviert oder deaktiviert, kann den elektrischen Parameter überwachen und auswerten, der beispielsweise den Wert der Eingangswechselspannung und insbesondere die Amplitude der Wechselspannung darstellt, und auf dieser Grundlage eine größere Anzahl von Leuchtdioden aktivieren. Wenn beispielsweise eine Vielzahl von Messpunkten vorhanden ist, an denen der elektrische Parameter erfasst wird, insbesondere der Wert der Amplitude der Wechselspannung, kann an jedem Messpunkt eine unterschiedliche Anzahl von Leuchtdioden aktiviert werden.
Wenn die Wechselspannung ansteigt, wie in 3 dargestellt, und 15 Messpunkte vorliegen (wie in 3 durch senkrechte Linien an jedem Messpunkt 1–15 in der Phase gezeigt, in der die Wechselspannung ansteigt), kann an jedem Messpunkt ein Teilstrang aktiviert werden. Beispielsweise kann an dem Messpunkt 1 der Teilstrang S10 mit einer LED aktiviert werden, und an dem Messpunkt 2 kann der Teilstrang S9 mit zwei LEDs aktiviert werden. Drei LEDs können am Messpunkt 3 aktiviert werden, indem die Aktivierung der Teilstränge S10 und S9 kombiniert wird, es kann aber auch der Teilstrang S8 zusätzlich oder alternativ aktiviert werden. Somit können die Teilstränge kombiniert werden, um die Anzahl an aktivierten LEDs zu erweitern, wenn die Wechselspannung ansteigt.
An dem Punkt, an dem 7 LEDs aktiviert werden sollen, können die Teilstränge S6 und S7 abwechselnd aktiviert werden (d. h. die jeweiligen Schalter des Schaltnetzes SN werden ausgeschaltet), indem die Teilstränge S6 und S7 zyklisch ein- und ausgeschaltet werden. Die Teilstränge S6 und S7 können ebenfalls abwechselnd gesteuert werden, wenn 8 LEDs an dem Messpunkt 8 aktiviert werden, wobei der Teilstrang S10 hinzugefügt wird.
Falls eine Anzahl von LEDs aktiviert werden sollte und mehr als ein Teilstrang vorliegt, welche eine Anzahl von LEDs enthalten oder dieselbe Durchlassspannung aufweisen, können somit diese Teilstränge abwechselnd aktiviert werden. Wenn beispielsweise 14 LEDs aktiviert werden müssen, können mindestens zwei Stränge der LED-Teilstränge S1 bis S5 mit 14 LEDs alternierend in demselben Zeitraum aktiviert werden, in dem normalerweise ein LED-Strang aktiviert wird. Somit können Änderungen der erfassten elektrischen Parameter mit einer feinkörnigeren Auflösung im Vergleich zu LED-Strängen mit Teilsträngen nachverfolgt werden, die lediglich die gleiche Anzahl an LEDs enthalten. Wenn mindestens zwei Stränge mit der gleichen Anzahl von LEDs abwechselnd aktiviert werden, kann der Flackereffekt verringert werden.
Wie auch aus 2 ersichtlich, kann für jeden Teilstrang ein Kondensator CP1 bis CP8 vorgesehen sein. Der jeweilige Kondensator kann dann, wenn der Schalter des jeweiligen Teilstranges S1 bis S8 aktiviert ist (der Schalter in seinen leitenden Zustand versetzt ist), die Versorgung der Leuchtdioden des Teilstranges aufrechterhalten und ermöglicht somit die Überbrückung eines Zeitraumes, in dem ein anderer Teilstrang aktiviert ist. Jedoch müssen nicht alle Teilstränge mit einem Kondensator versehen sein (siehe z. B. Teilstränge S9 und S10 aus 2).
4 zeigt ein Beispiel für den LED-Strang L1 aus 2 zusammen mit einer Steuerschaltung CC und insbesondere einem Mikrocontroller, der die Schalter des Schaltnetzes SN steuern kann. Das Schaltnetz SN besteht aus allen Schaltern der Teilstränge. Wie ersichtlich, überwacht die Steuerschaltung CC die Eingangswechselspannung, die insbesondere gleichgerichtet ist, und verwendet vorzugsweise digitale Steuerausgänge, um die Schalter des Schaltnetzes SN zu aktivieren oder zu deaktivieren. Um die Wechselspannung zu überwachen, kann die Steuerschaltung CC einen A/D-Wandler (Analog-digital-Wandler) bereitstellen.
Die Steuerschaltung kann außerdem eine Stromsenke (auf einen vorgegebenen Stromnennwert eingestellten Stromregler) enthalten, an dem der Ausgangsstrom des LED-Stranges überwacht werden kann, z. B. auch durch den Einsatz eines A/D-Wandlers. Die Steuerschaltung kann außerdem einen Stromregler CR steuern, um den Strom durch den LED-Strang hindurch zu regeln. Die Zahlen über den Teilsträngen des LED-Stranges zeigen eine (ungefähre) Zahl von LEDs pro Teilstrang an (welche eventuell auf eine natürliche Zahl gerundet werden muss), wobei N normalerweise eine natürliche Zahl ist. Der Stromregler CR kann andererseits über einen Digital-analog-Wandler in der Steuerschaltung CC gesteuert werden.
Der (bevorzugt lineare) Stromregler ist in Reihe mit den LEDs vorgesehen. Der Steuerschaltung kann ein Signal zugeführt werden, das den Spannungsabfall über dem Stromregler darstellt. Der Spannungsabfall über dem Stromregler kann als mindestens ein elektrischer Parameter eingesetzt werden, auf dessen Grundlage die Steuerschaltung die LED-Teilstränge aktiviert/deaktiviert.
Ein zusätzlicher LED-Teilstrang (oder ein weiterer LED-Teilstrang mit einer höheren Durchlassspannung) kann aktiviert werden, wenn der Spannungsabfall über dem Stromregler einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Ein LED-Teilstrang kann deaktiviert (oder durch einen weiteren aktivierten LED-Teilstrang mit einer niedrigeren Durchlassspannung ersetzt) werden, wenn der Spannungsabfall über dem Stromregler unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt.
Die Steuerschaltung kann den Sollwert (Stromnennwert) des Stromreglers steuern, um die dem LED-Strang zugeführte Energie zu steuern.
Der Stromnennwert kann auf Anweisung geändert werden, um ein Dimmen der LEDs zu erzielen.
Die Steuerschaltung kann direkt oder indirekt die Spitzenamplitude der Wechselspannung erfassen und den Stromnennwert des Stromreglers als Funktion desselben festlegen, z. B. um zu gewährleisten, dass die dem LED-Strang zugeführte Energie auch bei Vorliegen einer schwankenden Netzspannung konstant ist.
Die Erfassung der Wechselspannung kann für eine grobe Einstellung der aktivierten/deaktivierten Teilstränge von LEDs und für die Stromeinstellung des Stromreglers verwendet werden (z. B. um eine niedrigere Wechselspannung auszugleichen/zu steuern, oder zum Schutz von höherer Spannung).
Der gemessene Spannungsabfall über dem Stromregler kann von der Steuerschaltung beispielsweise wie folgt genutzt werden: Wenn der Spannungsabfall über dem Stromregler größer ist als der Spannungsabfall des Reglers (Vsw + R·I) plus der Durchlassspannung Vf des kürzesten LED-Teilstranges, dann wird der kleinste LED-Teilstrang aktiviert, oder ein größerer LED-Strang, und der kleinste LED-Teilstrang ist ausgeschaltet („klein” und „groß” beziehen sich auf die kombinierte Durchlassspannung Vf eines LED-Teilstranges).
Dies ermöglicht die Überwachung des LED-Stranges (da Toleranzen höher sein können als die niedrigste Segmentspannung), und den Ausgleich von Toleranzen, Temperatur und Erfassungsfehlern.
5 zeigt einen alternativen LED-Strang L1' mit so genannten Schwimmschaltern und Eingangsklemmen C1', C2'. Die Schwimmschalter können MOSFET-Schalter sein. Die Schwimmschalter können in Verbindung mit dem Stromregler CR eingesetzt werden. Ein Schwimmschalter kann einen MOSFET-Schalter integrieren, um LED-Strom parallel zu schalten, wenn ein Leitungsübergang stattfindet. Wenn in einem Zyklus Leitungsübergänge stattfinden, überwacht der Schwimmschalter bei einem Nulldurchgang, zu welchem Zeitpunkt der interne Schalter entweder geöffnet oder kurzgeschlossen wird, um den Strom von den LEDs des LED-Teilstranges weg zu leiten. Die Schwimmschalter müssen die Ausgangsleistung des LED-Stroms nicht direkt steuern, aber sie können Strom zu den LEDs leiten oder die LEDs überbrücken. Ein Beispiel für einen Schwimmschalter ist der Texas Instruments Schwimmschalter TPS92411x, ein Schwimmschalter für Offline-Wechselstrom-Lineardirektantrieb von LEDs.
Insbesondere können die Schwimmschalter in Abhängigkeit der dem LED-Strang zugeführten Spannung eigenständig bestimmen, ob eine erforderliche Spannung erreicht ist, und können daraufhin den entsprechenden Teilstrang aktivieren. Eine Steuerschaltung ist dann nicht erforderlich. Wiederum ist ein Stromregler Cr an der Ausgangsklemme des LED-Stranges vorgesehen.
6 zeigt einen LED-Strang L1'' als Kombination aus dem erfinderischen Ansatz, bei dem Teilstränge von unterschiedlicher Länge wahlweise von einer Steuerschaltung CC' aktiviert werden, und einer „klassischen” Anzapfreihenschaltung CT mit Stromreglern CR1 bis CR5. Für jeden Teilstrang der klassischen Anzapfreihenschaltung CT kann die Steuerschaltung CC den Stromregler CR1 bis CR5 steuern, um einen Strom des LED-Stranges und/oder entsprechender Teilstränge zu steuern. Die Klemmen des LED-Stranges L1'' sind als Klemmen C1'', C2'' dargestellt.
Somit kann eine bestimmte Menge an LEDs in Abhängigkeit des Eingangsspannungspegels eingeschaltet werden. Der Strom wird so ausgewählt, dass er dem Eingangsspannungspegel entspricht und über den Digital-analog-Wandler, ein integriertes PWM-Signal, einen digital auswählbaren Strom, eine Widerstandsleiter und/oder einen externen Digital-analog-Wandler gesteuert wird. Es liegt vorzugsweise zwischen LED-Strängen und einem Stromregler eine Rückkopplungsspannung vor, die der Steuerschaltung CC, CC' zugeführt wird, um zu überprüfen, ob die Anpassung stimmt. Dies führt zu einer geringen Zugangsspannung und sich aus Wärmeunterschieden ergebende Schwankungen oder Toleranzen können durch eine jeweilige Regelung ausgeglichen werden, die durch die Steuerschaltung CC, CC' erfolgt. Bei niedrigen Spannungen kann der Strom erhöht werden, während sich die Kondensatoren integrieren. Die Lösung kann insbesondere mit einem Phasenanschnitt-Dimmen eingesetzt werden.
Parallele LEDs oder LEDs mit hohem Nennstrom können für die Teilstränge eingesetzt werden, die höher beansprucht werden und/oder wenn keine Kondensatoren zum Integrieren des Stromes eingesetzt werden (beispielsweise die Stränge mit einer und zwei, aber auch möglicherweise drei LEDs). Insbesondere kann die Steuerschaltung in einem ersten Schritt eine Leitungsspannung erfassen und (z. B. in einem zweiten Schritt) eine Leitungsspannung sowie einen Durchlassspannungsunterschied an einem Sollstrom erfassen. Sodann werden die einzuschaltenden Teilstränge bestimmt und die anderen Stränge werden überbrückt. Daraufhin wird der Strom auf den betätigten Strängen gesteuert. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, da kostengünstige Bauteile verwendet werden können, beispielsweise können ein M0 Cortex Mikroprozessor, ein linearer Stromregler und Überbrückungsschalter wie FET, BJT (bipolare Transistoren) oder Optokoppler eingesetzt werden, die eine Kostenreduzierung für den jeweiligen Schaltkreis ermöglichen.
Die LED-Teilstränge können eine unterschiedliche Anzahl an LEDs und unterschiedliche kombinierte Durchlassspannungen aufweisen.
Ein Beispiel bestünde darin, den LED-Strang auf eine „binär codierte” Art zu unterteilen, d. h. der erste LED-Teilstrang weist 1 LED, der nächste 2 LEDs, der darauffolgende 4 LEDs etc. auf.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform können die LEDs insbesondere in einer Frobenius-Zahlenmenge geschaltet werden, die ermöglicht, dass jede Spannung durch eine Kombination der Teilstränge mit einer gewünschten Auflösung erzielt werden kann. Die minimale Auflösung ist eine Durchlassspannung einer einzigen LED. In anderen Worten zielt die Erfindung auch auf die Lösung eines Rucksackproblems mit einer Reihenkombination aus LED-Teilsträngen, um die Eingangswechselspannung am besten anzupassen. Ein Beispiel besteht in der Verwendung einer Reihe von Teilsträngen, die in der Reihenfolge von 14 + 14 + 14 + 14 + 14 + 7 + 7 + 3 + 2 + 1 LEDs überbrückt werden können. Die Anzahl der in dem LED-Strang insgesamt eingesetzten LEDs kann von 1 bis 90 LEDs angepasst werden. Somit kann die Strangspannung beispielsweise zwischen 3,2 Volt und 288 Volt bei einer Auflösung von 3,2 Volt variieren (Durchlassspannung einer einzelnen LED). Die höher ausgelasteten Teilstränge können mehr parallel geschaltete LEDs aufweisen, da die Durchschnittsenergie auf diesen Strängen höher ist.
Nachfolgend werden zwei Beispiele eines Schaltverfahrens gegeben:

a. Ist es möglich „die Frobenius-Zahlenmenge” genau zu bestimmen, so kann sie 1 + 2 + 3 + 7 + 7 + 14 + 14 + 14 + 14 + 14 (bei 230 V) oder 1 + 2 + 3 + 7 + 14 + 14 + 14 + 14 + 14 (etwas weniger wirksam über 230 V) oder 2 + 4 + 8 + 16 + 16 + 16 + 16 oder 2 + 2 + 4 + 4 + 8 + 16 + 16 + 16 + 16 oder 2 + 4 + 8 + 16 + 16 + 32 oder 5 + 5 + 10 + 20 + 20 + 20 oder 1 + 2 + 3 + 7 + 7 + 20 + 20 + 20 sein oder
b. die Schaltsequenz derart, dass alle Stränge am besten ausgelastet sind, dann ist 1, 2, 3, 1 + 3, 2 + 3, 1 + 2 + 3, 7a, 7b + 1, 7a + 2, 7b + 3, 7a + 3 + 1, 7b + 3 + 2, 7a + 3 + 2 + 1, 14a, 14b + 1, 14c + 2, 14d + 3, 14e + 3 + 1, 7a + 7b + 3 + 2...

Die Erfindung stellt somit auch eine Lösung zur Überwindung von Leitungsspannungsschwankungen oder Toleranzen sowie sich aus einem Phasenanschnitt-Dimmen ergebenden Problemen bereit.
Der LED-Strang kann somit von einer Antriebswechselspannung angesteuert werden. Der Strom wird von einem Reihenstromwiderstand, einer Stromsenke oder einer linearen Steuerung geregelt. Der LED-Strang kann in eine Reihe von LED-Teilsträngen aufgeteilt werden, die insbesondere die Frobenius-Zahlenmenge befolgen. Die Teilstränge können in den Stromfluss eingeschlossen werden, indem die Schalter aktiviert oder deaktiviert werden, um sich am besten an die Eingangsspannung anzupassen und den Spannungsabfall an dem linearen Stromreglerschaltkreis zu minimieren. Ein Rucksackproblem wird mit der Reihenkombination von LED-Teilsträngen zur optimalen Anpassung an die Eingangswechselspannung gelöst. Es können auch einige Teilstränge vorliegen, die einige Anzahlen von LEDs enthalten, welche, wenn der Durchschnittsstrom oder die Energie pro Übergang höher ist, innerhalb eines vollständigen Wechselstromzyklus parallele LEDs enthalten können, die eine höhere Auslastung des Teilstranges und des gesamten Stranges ermöglichen, ohne den maximal zulässigen Strom zu überschreiten.
Es versteht sich von selbst, dass es auch möglich ist, während das Schaltnetz zum Schalten von LEDs eingesetzt wird, das Schaltnetz und das Antriebsverfahren auf andere mit einer Wechselspannung zugeführte Lasten anwendbar ist, bei denen die Last dynamisch einem elektrischen Parameter, insbesondere einer Amplitude einer Wechselspannung folgen sollte. Bei Verwendung des Erfindungsverfahrens können Teile der Last dynamisch aktiviert werden, um der Zeichenentwicklung des elektrischen Parameters zu folgen.

Claims

Treiber zum Ansteuern von mindestens einem Strang von LEDs mit einer gleichgerichteten Wechselspannung, mit: – Eingangsklemmen (C1, C2), welchen eine gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, – einer Steuerschaltung (CC), der ein die Amplitude oder die Phase der Wechselspannung anzeigendes Signal zugeführt wird, und – einem Schaltnetz (SN) mit Schaltern, wobei jeder Schalter zum wahlweisen Parallelschalten oder Aktivieren eines Teilstranges (S6, S7) von einer oder mehreren LEDs des LED-Stranges (L1) angeordnet ist, wobei die Steuerschaltung (CC) so ausgeführt ist, dass sie jeden der Schalter unabhängig derart steuert, dass die kombinierte Durchlassspannung der aktivierten Teilstränge (S6, S7) von Leuchtdioden der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung schrittweise folgt, – einem Stromregler in Reihe mit dem Strang von LEDs, – wobei die Steuerschaltung mit einem Signal versehen wird, dass den Spannungsabfall über dem Stromregler darstellt.
Treiber zum Ansteuern von mindestens einem Strang von LEDs mit einer gleichgerichteten Wechselspannung, mit: – Eingangsklemmen (C1, C2), welchen eine gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, – einer Steuerschaltung (CC), welcher ein die Amplitude oder die Phase der Wechselspannung anzeigendes Signal zugeführt wird, sowie – einem Schaltnetz (SN) mit Schaltern, wobei jeder Schalter zum wahlweisen Parallelschalten oder Aktivieren eines Teilstranges (S6, S7) von einer oder mehreren LEDs (L1) angeordnet ist, wobei die Steuerschaltung (CC) so ausgeführt ist, dass sie jeden der Schalter unabhängig derart steuert, dass die kombinierte Durchlassspannung der aktivierten Teilstränge (S6, S7) von Leuchtdioden der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung schrittweise folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (CC) so ausgeführt ist, dass sie mindestens zwei aktive Teilstränge (S6, S7) von Leuchtdioden abwechseln lässt, die dieselbe kombinierte Durchlassspannung während des Zeitraumes eines Schrittes aufweisen.
Treiber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (CC) so ausgelegt ist, dass sie die Schalter entsprechend des elektrischen Parameters, z. B. eines Wechselspannungsamplitudenwertes, steuert, und wobei die Anzahl an aktivierten Teilsträngen (S6, S7) einem Wert des elektrischen Parameters entspricht.
Treiber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (CC) so ausgelegt ist, dass sie nur einen bestimmten Teilstrang (S6, S7) in Abhängigkeit des elektrischen Parameters aktiviert, beispielsweise mindestens einen bestimmten Teilstrang (S6, S7) für einen bestimmten Wert oder einen Wertebereich.
Treiber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (CC) so ausgelegt ist, dass sie alle Teilstränge (S6, S7) entsprechend dem elektrischen Parameterwert oder Wertebereich zyklisch aktiviert, indem sie die jeweiligen Schalter schaltet, insbesondere ist die Steuerschaltung (CC) so ausgelegt, dass sie die jeweiligen Schalter periodisch ein- und ausschaltet.
Treiber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Kondensator (CP6, CP7) parallel zu jedem Teilstrang geschaltet ist.
Treiber gemäß Anspruch 6, wobei der Kondensator (CP6, CP7) so angeordnet ist, dass er den zugehörigen Teilstrang (S6, S7) weiterhin ansteuert, wenn der zugehörige Schalter zum Parallelschalten des Teilstranges (S6, S7) oder von Teilen desselben eingestellt ist, z. B. mindestens einer LED des Teilstranges (S6, S7).
Treiber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Teilstränge (S7, S8) verschiedene Längen aufweisen, z. B. mit einer unterschiedlichen Anzahl an LEDs.
Treiber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (CC) so ausgelegt ist, dass sie einen Stromregler (CR) des LED-Stranges (L1) steuert.
Treiber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (CC) so ausgelegt ist, dass sie ein Rückkopplungssignal, z. B. ein Spannungsmesssignal, von einem Nebenschluss an dem Spannungsregler erhält, das insbesondere einen Stromfluss durch den LED-Strang (L1) anzeigt.
Treiber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (CC) ein ASIC oder ein Mikrocontroller ist.
Treiber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Teilstrang (S6, S7) mindestens eine LED umfasst.
Verfahren zum Ansteuern von mindestens einem Strang von LEDs mit einer gleichgerichteten Wechselspannung, mit: – Eingangsklemmen (C1, C2) zum Zuführen einer gleichgerichteten Wechselspannung, – einer Steuerschaltung (CC), welcher ein die Amplitude oder die Phase der Wechselspannung anzeigendes Signal zugeführt wird, sowie – einem Schaltnetz (SN) mit Schaltern, wobei jeder Schalter zum wahlweisen Parallelschalten oder Aktivieren eines Teilstranges (S6, S7) von einer oder mehreren LEDs (L1) angeordnet ist, wobei die Steuerschaltung (CC) jeden der Schalter unabhängig derart steuert, dass die kombinierte Durchlassspannung der aktivierten Teilstränge (S6, S7) von Leuchtdioden der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung schrittweise folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (CC) mindestens zwei aktive Teilstränge (S6, S7) von Leuchtdioden abwechseln lässt, die die gleiche kombinierte Durchlassspannung während des Zeitraumes eines Schrittes aufweisen.
Treiber zum Ansteuern von mindestens einem Strang von LEDs mit einer gleichgerichteten Wechselspannung, mit: – Eingangsklemmen (C1, C2) zum Zuführen einer gleichgerichteten Wechselspannung, – einer Steuerschaltung (CC), welcher ein die Amplitude oder die Phase der Wechselspannung anzeigendes Signal zugeführt wird, sowie – einem Schaltnetz (SN) mit Schaltern, wobei jeder Schalter zum wahlweisen Parallelschalten oder Aktivieren eines Teilstranges (S6, S7) von einer oder mehreren LEDs (L1) angeordnet ist, wobei die Steuerschaltung derart ausgeführt ist, dass sie jeden der Schalter unabhängig derart steuert, dass die kombinierte Durchlassspannung der aktivierten Teilstränge (S6, S7) von Leuchtdioden der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung schrittweise folgt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei LED-Teilstränge (S6, S7) unterschiedliche kombinierte Durchlassspannungen aufweisen, vorzugsweise enthalten die LED-Teilstränge LEDs gemäß einer Frobenius-Zahlenmenge.