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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines ersten und eines zweiten LED-Strangs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Leuchtmittel auf der Basis von Leuchtdioden (LED) sind innerhalb weniger Jahre zu einer konkurrenzfähigen Alternative zu traditionellen Leuchtmitteln, beispielsweise Glühlampen, Halogenlampen oder (Kompakt-)Leuchtstofflampen, herangereift. Für den Betrieb der mit einer vergleichsweise niedrigen Flussspannung arbeitenden LEDs an einem Wechselspannungsnetz mit beispielsweise 240 Volt Nennspannung sind verschiedene Schaltungskonzepte verfügbar, je nach Anforderungen der entsprechenden Anwendung. Insbesondere bei Anwendungen, bei welchen eine elektrische Isolation der Leuchtdioden von dem speisenden Netz nicht gefordert ist (Non-SELV), sind hohe Effizienzwerte der Leuchtmittel erreichbar.
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Aus der
DE 10 2013 201 439 A1 ist eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer ersten und einer zweiten Kaskade von LEDs bekannt. Dabei weisen die LED-Kaskaden eine unterschiedliche Anzahl von LEDs auf. Diese werden durch eine geeignete Ansteuerlogik an den Momentanwert der gleichgerichteten Versorgungswechselspannung angepasst abwechselnd betrieben. Die LED-Kaskaden sind LED-Einheiten zugeordnet, wobei jede LED-Einheit eine Ansteuerungsvorrichtung zur Ansteuerung der jeweiligen LED-Kaskade umfasst. Die LED-Einheiten sind seriell zwischen die beiden Eingangsanschlüsse gekoppelt, wobei die Eingangsanschlüsse vom Ausgang eines Gleichrichters gebildet werden. Seriell zu den LED-Kaskaden ist ein Linearregler vorgesehen, der über einen Spannungsteiler angesteuert wird, der zwischen die beiden Eingangsanschlüsse gekoppelt ist. Zum Betrieb der jeweiligen Ansteuervorrichtungen ist eine Hilfsspannungsversorgung nötig, welche aus der im Betrieb der Schaltungsanordnung über den Linearregler abfallenden Spannung erzeugt wird.
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Eine weitere gattungsgemäße Schaltungsanordnung ist aus der
DE 10 2013 222 226 B3 bekannt. Zur Anpassung an unterschiedliche Versorgungswechselspannungen ist zumindest der höchstgelegenen LED-Kaskade eine Schaltvorrichtung zugeordnet, die ausgelegt ist, in einem ersten Zustand alle LEDs der LED-Kaskade in Serie zu schalten und in einem zweiten Zustand eine erste Hälfte von LEDs der LED-Kaskade einer zweiten Hälfte von LEDs der LED-Kaskade parallel zu schalten.
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Aufgrund ihrer hohen Effizienzwerte, insbesondere wegen der nicht isolierten transformatorlosen Schaltungstopologie, wäre die gattungsgemäße Schaltungsanordnung geradezu prädestiniert für Notlichtbetrieb. Bei einem zentralen Notstrombetrieb für Leuchten wird bei Netzspannungsausfall auf eine Gleichspannung von 275 Volt bis 176 Volt geschaltet. Diese Gleichspannung wird üblicherweise von einer Zentralbatterie bereitgestellt. Allerdings hat sich in der Praxis gezeigt, dass Leuchtmittel mit einer Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art nicht zuverlässig an einer Gleichspannung betrieben werden können. Damit kann derzeit ein sicherer Notlichtbetrieb mit einem solchen hocheffizienten Leuchtmittel nicht erzielt werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, dass sie einen sicheren Notlichtbetrieb ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines ersten und eines zweiten LED-Strangs, umfassend einen Gleichrichter mit einem ersten und einem zweiten Gleichrichteranschluss zum Koppeln mit einer Wechselspannungsquelle oder einer Gleichspannungsquelle, sowie einem dritten und einem vierten Gleichrichteranschluss zur Bereitstellung einer Gleichrichterausgangsspannung. Die gattungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Spannungsausgleichslängsimpedanz, zumindest eine erste und eine zweite Lastuntergruppe mit jeweils einem ersten und einem zweiten Anschluss, wobei jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss ein Überbrückungselement geschaltet ist, und mit jeweils einem als Vierpol mit einem ersten und einem zweiten Primäranschluss, sowie mit einem ersten und einem zweiten Sekundäranschluss ausgebildeten Koppelelement, wobei der erste Primaranschluss mit dem ersten Anschluss sowie der zweite Primäranschluss mit dem zweiten Anschluss elektrisch leitend verbunden ist. Der erste LED-Strang, welcher eine erste Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs aufweist, ist zwischen die Sekundäranschlüsse des Koppelelements der ersten Lastuntergruppe und der zweite LED-Strang, welche eine zweite Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs aufweist, ist zwischen die Sekundäranschlüsse des Koppelelements der zweiten Lastuntergruppe geschaltet. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Überbrückungselemente in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz zwischen den jeweils zugehörigen ersten Anschluss und einer auf dem dritten Gleichrichteranschluss bezogenen Hilfsgleichspannungsquelle sowie in Abhängigkeit von einer jeweiligen LED-Strang-Spannung zu steuern, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss anliegt, wenn das jeweils zugehörige Überbrückungselement einen Kurzschluss-Stromfluss zwischen den beiden Anschlüssen sperrt. Jeweils der zweite Anschluss einer höher gelegenen Lastuntergruppe, welche nicht eine tiefstgelegene Lastuntergruppe ist, ist mit dem ersten Anschluss einer jeweils nächst tiefer gelegenen Lastuntergruppe elektrisch leitend verbunden, wobei der erste Anschluss einer höchstgelegenen Lastuntergruppe mit dem vierten Gleichrichteranschluss elektrisch gekoppelt ist, und zwischen den zweiten Anschluss einer tiefstgelegenen Lastuntergruppe und den dritten Gleichrichteranschluss die Spannungsausgleichslängsimpedanz geschaltet ist. Überdies umfasst die Schaltungsanordnung eine Spannungsteilereinrichtung, welche zwischen den dritten und den vierten Gleichrichteranschluss geschaltet ist, zur Bereitstellung eines Steuersignals an die Spannungsausgleichslängsimpedanz, wobei die Spannungsteilereinrichtung dazu ausgelegt ist, mittels des Steuersignals einen Strom mit einem Stromwert in Abhängigkeit von einem Momentanwert der Gleichrichterausgangsspannung durch die seriell gekoppelten Lastuntergruppen zu steuern.
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Die Schaltungsanordnung wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, bei einem Betrieb der Schaltungsanordnung an einer Gleichspannungsquelle zumindest ein erstes Überbrückungselement der Überbrückungselemente der Lastuntergruppe permanent in einen Kurzschluss-Zustand zu steuern und zumindest ein zweites Überbrückungselement der Überbrückungselemente der Lastuntergruppen permanent in einen Zustand zu steuern, in welchem das zweite Überbrückungselement einen Kurzschluss-Stromfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss der zugehörigen Lastuntergruppe sperrt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bisherige bekannte Schaltungsanordnungen (LED-Module) der gattungsgemäßen Art nicht notstromtauglich sind, da diese nur für Wechselspannung ausgelegt sind und dementsprechend bei Anschluss an eine Gleichspannung die Überbrückungselemente der einzelnen Lastuntergruppen (Schaltstufen) undefiniert prellen. Ein Lichtflackern, das heißt ein ungleichmäßiger Lichtstromverlauf über der Zeit, ist hierbei die Folge, im schlimmsten Fall kann eine Zerstörung des LED-Moduls das Resultat eines Betriebs bei Gleichspannung sein. Insbesondere sind die einschlägigen Normen für Notbeleuchtung und Sicherheitsbeleuchtungsanlagen zur erfüllen. Somit kann nunmehr auch unter diesen grundlegend veränderten Eingangsspannungsbedingungen ein vorgebbarer Lichtstrom bereitgestellt werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein konstanter Lichtstromwert über einer sich verändernden Eingangsgleichspannung bereitgestellt wird. Eine derartige Funktionalität kann vorteilhafterweise durch eine programmgesteuerte Recheneinheit (beispielsweise einen Mikroprozessor/Mikrocontroller) zur Verfügung gestellt werden. Um die dargestellte Schaltungstopologie an einer DC-Spannung betreiben zu können, ist es notwendig, aktiv in die Schaltlogik der Überbrückungselemente der Lastuntergruppen einzugreifen. Dies geschieht durch eine Aktivierung oder Deaktivierung der Überbrückungselemente, beispielsweise in Form von Schalttransistoren, bei erkannter DC-Spannung. Die Erfinder haben nämlich erkannt, dass bei der allgemein bekannten selbsttätigen Ansteuerung der Überbrückungselemente der einzelnen Lastuntergruppen in gegenseitiger Abhängigkeit von den über den jeweiligen Lastuntergruppen anliegenden Spannungen ein stabiler Betrieb an einer Gleichspannungsquelle nicht möglich ist. Die zweckmäßigerweise für eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung verwendeten Steuereinrichtungen nutzen zur Bereitstellung einer für die Ansteuerung eines Überbrückungselements benötigte Ansteuerenergie einen der jeweiligen Lastuntergruppe zugeordneten Energiespeicher, vorzugsweise in Form eines Kondensators. Zur Aufladung eines solchen Energiespeichers können dann Schaltungsphasen erforderlich sein, in denen die Spannung über der jeweiligen Lastuntergruppe nicht Null ist beziehungsweise im Bereich von Null liegt, das heißt das Überbrückungselement in diesem Zustand permanent kurzgeschlossen ist. Bei einem dauerhaften Kurzschluss-Zustand, wie er bei Versorgung aus einer Gleichspannungsquelle auftreten kann, findet somit kein periodisches Wiederaufladen des Energiespeichers statt. Damit ist auch die vollständige oder zumindest überwiegende Speisung der jeweiligen Überbrückungselemente aus den entsprechenden Energiespeichern der zugehörigen Lastuntergruppen nicht mehr gegeben. Infolgedessen kann es vorkommen, dass ein Überbrückungselement den aufgrund der jeweiligen momentan anliegenden Gleichrichterausgangsspannung vorgesehenen Schaltzustand verlässt, wodurch sich eine unerwünschte Wechselwirkung mit den anderen Lastuntergruppe beziehungsweise deren Überbrückungselementen ergibt. Die Folge ist ein unkontrollierter, instabiler flackernder Betrieb der einzelnen LED-Stränge der jeweiligen Lastuntergruppen. Als weiterer, noch weitaus gravierenderer Effekt kann auftreten, dass das jeweilige Überbrückungselement, dessen speisender Energiespeicher nicht mehr ausreichend Energie aufweist, infolge mangelhafter Ansteuerung nicht in einen Kurzschluss-Zustand gelangt, das heißt nicht in der Lage ist, einen niederohmigen, vollständig durchgesteuerten Strompfad bereitzustellen. Bei einem Bipolartransistor als Überbrückungselement kann somit der geforderte Basisstrom nicht mehr bereitgestellt werden, bei einem MOSFET als Überbrückungselement wird die geforderte Gate-Source-Spannung nicht mehr erreicht. Dadurch kann es zur thermischen Zerstörung des Überbrückungselements kommen, wenn der durch die Spannungsausgleichslängsimpedanz vorgegebene Strom durch das Überbrückungselement fließt und gleichzeitig die Spannung über dem Überbrückungselement infolge unzureichender Ansteuerung außerhalb der zulässigen Grenzen für einen sicheren Betrieb liegt.
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Vorzugsweise kann ein oberster der LED-Stränge durch das zugehörige Überbrückungselement permanent kurzgeschlossen werden. Die Betriebsspannung der LED-Stränge ist somit deutlich reduziert, die restliche Spannung fällt an der Spanungsausgleichslängsimpedanz ab. Eine derartige Ansteuerung ermöglicht einen Betrieb mit gleichbleibender Helligkeit, also konstantem Lichtstrom, über einen gesamten zu erwartenden Eingangsspannungsbereich von 275 Volt bis 176 Volt.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, die beiden untersten Lastuntergruppen zu deaktivieren. Dadurch ergibt sich eine höhere Vorwärtsspannung als im vorhergehenden Fall. Die restliche, nunmehr geringere Spannung fällt an der Spannungsausgleichslängsimpedanz ab. Vorteil hiervon ist eine geringere Verlustleistung an der Spannungsausgleichslängsimpedanz sowie eine insgesamt bessere Effizienz der Schaltung im DC-Betrieb. Dadurch kann eine Verringerung des benötigen Eingangsstroms erzielt werden, um einen vorgegebenen Lichtstrom zu erzeugen, was wiederum zur Entlastung einer Zentralbatterie führen kann. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Schaltungsanordnung, insbesondere für einen Wechselspannungsbetrieb bei 230 Volt, 50 Hertz ist mit drei LED-Strängen aufgebaut, wobei der LED-Strang der obersten Lastuntergruppe eine Flussspannung von circa 160 Volt aufweist, der LED-Strang der mittleren Lastuntergruppe eine Flussspannung von circa 80 Volt aufweist, und der LED-Strang der untersten Lastuntergruppe eine Flussspannung von circa 40 Volt aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung einen modularen Aufbau, mit jeweils pro Lastuntergruppe einer Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator und einer ersten Diode, welche zwischen den ersten und den zweiten Anschluss geschaltet ist, einem ersten elektronischen Schaltelement mit einer ersten Bezugselektrode und einer ersten Arbeitselektrode sowie einer ersten Steuerelektrode, wobei die erste Bezugselektrode elektrisch mit dem ersten Kondensator und die erste Arbeitselektrode elektrisch über ein erstes Widerstandselement mit einem Steueranschluss des Überbrückungselements elektrisch gekoppelt ist, und eine Reihenschaltung aus einer zweiten Diode und einem zweiten Widerstandselement, welche zwischen die erste Steuerelektrode und die Hilfsgleichspannungsquelle geschaltet ist. Auf diese Weise kann eine besonders einfache und kostengünstige Ansteuerung der Schaltstufen, das heißt der Überbrückungselemente der jeweiligen Lastuntergruppen, erreicht werden. Die Ansteuerung der jeweiligen Schaltstufen erfolgt dabei selbsttätig im Wechsel in Abhängigkeit von dem jeweiligen Momentanwert der aktuell anliegenden Gleichrichterausgangsspannung. Besonders bevorzugt ist das erste elektronische Schaltelement als Bipolartransistor ausgebildet mit einem Emitter als Bezugselektrode einem Kollektor als Arbeitselektrode und einer Basis als Steuerelektrode. Eine derartige Steuereinrichtung ist besonders dafür geeignet, für den erfindungsgemäßen Eingriff in die Schaltlogik ausgebildet zu werden. Der erste Kondensator stellt hierbei den zuvor genannten Energiespeicher dar, welcher den stabilen Betrieb einer Lastuntergruppe in einem permanent kurzgeschlossenen Zustand verhindert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Schaltungsanordnung eine Erkennungseinrichtung zur Unterscheidung eines DC-Betriebs, bei welchem die Schaltungsanordnung mit der Gleichspannungsquelle elektrisch gekoppelt ist, von einem AC-Betrieb, bei welchem die Schaltungsanordnung mit der Wechselspannungsquelle elektrisch gekoppelt ist, wobei die Erkennungseinrichtung dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Vorliegen eines DC-Betriebs ein Schaltsignal zu erzeugen. Bevorzugt kann hierbei ein Schwellwertschalter in Form eines Transistors, insbesondere eines MOSFET, zum Einsatz kommen. Der Schwellwertschalter kann hierbei vorteilhaft mit der Hilfsgleichspannungsquelle gekoppelt sein, so dass das Schaltsignal in einem aktivierten Zustand den Pegel der Hilfsgleichspannungsquelle aufweist. In einem nicht aktivierten Zustand kann das Schaltsignal den Pegel des Bezugspotentials annehmen.
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Alternativ kann die Erkennungseinrichtung auch auf der Basis einer programmierbaren Recheneinheit (Mikrocontroller, Mikroprozessor) realisiert sein. Hierdurch ergeben sich besonders vorteilhaft vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten zur Auswahl der kurzzuschließenden Lastuntergruppen, insbesondere diese auch dynamisch im Betrieb zu steuern, indem jeweils Schaltsignale für mehrere der Lastuntergruppen, insbesondere alle der Lastuntergruppen, separat bereitgestellt werden. Insbesondere wird dadurch ermöglicht, die kurzzuschließende Lastuntergruppe in Abhängigkeit von der Höhe der Spannung der anliegenden Gleichspannungsquelle eine Gesamtflussspannung der im Betrieb befindlichen LED-Stränge optimal an die zur Verfügung stehende Spannung anzupassen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Erkennungseinrichtung dazu ausgelegt, einen Wechselspannungsanteil der Gleichrichterausgangsspannung mittels eines Hochpassfilters zu ermitteln und den Wechselspannungsanteil über einen Tiefpassfilter einem Schwellwertschalter zuzuführen. Besonders bevorzugt kann der Eingang des Tiefpassfilters über einen Spitzenwertgleichrichter, insbesondere eine Gleichrichterdiode, an einen Ausgang des Hochpassfilters elektrisch gekoppelt sein. Eine derartige Schaltungsanordnung lässt sich mit einer geringen Anzahl von insbesondere diskreten Bauelementen realisieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung zumindest eine Übersteuerungsstufe, welche ein zweites elektronisches Schaltelement mit einer zweiten Bezugselektrode und einer zweiten Arbeitselektrode sowie einer zweiten Steuerelektrode aufweist, wobei die zweite Arbeitselektrode über ein drittes Widerstandselement mit einem Steueranschluss des Überbrückungselements einer der Lastuntergruppen elektrisch gekoppelt ist, wobei die zweite Bezugselektrode über ein viertes Widerstandselement mit dem dritten Gleichrichteranschluss elektrisch gekoppelt ist, und wobei die zweite Steuerelektrode über ein fünftes Widerstandselement mit einem Schaltsignal zur Aktivierung der Übersteuerungsstufe in Abhängigkeit von dem Vorliegen eines DC-Betriebs elektrisch gekoppelt ist. Über eine derartige „Level-Shifter“-Schaltung kann in vorteilhafter Weise ein Eingriff in die entsprechende Schaltstufe derart realisiert werden, dass das Überbrückungselement der entsprechenden Lastuntergruppe unabhängig von den durch die jeweiligen selbsttätig im Zusammenspiel mit den übrigen Lastuntergruppen arbeitenden Modulen der Steuereinrichtung in einen niederohmig leitenden Kurzschluss-Zustand gesteuert wird.
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In einer bevorzugten Weiterbildung handelt es sich bei der einen der Lastuntergruppen um eine zweitunterste Lastuntergruppe, zwischen deren zweiten Anschluss und die Spannungsausgleichslängsimpedanz eine unterste Lastuntergruppe geschaltet ist, wobei die zweite Arbeitselektrode über eine dritte Diode und ein weiteres drittes Widerstandselement mit einem Steueranschluss des Überbrückungselements der untersten Lastuntergruppe elektrisch gekoppelt ist. Auf diese Weise wird kein weiteres zweites elektronisches Schaltelement, beispielsweise in Form eines Bipolartransistors, welcher als Hochvolt-Transistor (beispielsweise 500 Volt) auszulegen ist, notwendig, sondern es kann stattdessen die dritte Diode vereinfachend zum Einsatz kommen, wodurch sich die beiden untersten Lastuntergruppen besonders zweckmäßig gemeinsam permanent in einen kurzgeschlossenen Zustand steuern lassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Spannungsteilereinrichtung dazu ausgelegt, das Steuersignal in Abhängigkeit von einem Schaltsignal, welches das Vorliegen eines DC-Betriebs signalisiert, abweichend von einer im Falle eines AC-Betriebs vorliegenden Steuercharakteristik auszugeben. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in einem für den DC-Betrieb vorgesehenen Spannungsbereich, insbesondere einen Spannungsbereich zwischen 176 Volt und 275 Volt, unabhängig von dem momentanen Wert der Gleichrichterausgangsspannung das Steuersignal so vorgegeben wird, dass durch die Spannungsausgleichslängsimpedanz ein konstanter Stromwert eingestellt wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, in einem DC-Betrieb, also insbesondere in einem Notlichtbetrieb, eine Auswahl der kurzzuschließenden Lastuntergruppen so zu treffen, dass die Flussspannung der aktiv angesteuerten LEDs, also den in den nicht kurzgeschlossenen LED-Stränge verbleibenden LEDs, bevorzugt in einem Spannungsbereich zwischen 80 und 95 Prozent der verfügbaren DC-Spannung liegt, wodurch eine hohe Effizienz bei der Erzeugung des geforderten Lichtstroms für die Notlichtanwendung erzielt wird. Der geforderte Lichtstrom kann hierbei vorteilhaft durch eine Anpassung des Steuersignals eingestellt werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mit einem Absinken der DC-Spannung als Versorgungsspannung beispielsweise aus einer Zentralbatterie die Auswahl des kurzzuschließenden LED-Strangs beziehungsweise der kurzzuschließenden LED-Stränge angepasst wird, um wieder einen Betrieb mit einer Flussspannung der nicht kurzgeschlossenen LED-Stränge innerhalb des bevorzugten Spannungsbereichs von 80 bis 95 Prozent der verfügbaren DC-Spannung zu erzielen. Das Steuersignal kann dann entsprechend angepasst werden, um insgesamt wieder den gleichen geforderten Lichtstrom zu erzeugen. Zur Vermeidung eines wahrnehmbaren Lichtsprungs (sowohl integral als auch bezogen auf die örtliche Verteilung) kann vorgesehen sein, das Umsteuern von einer kurzzuschließenden Lastuntergruppe auf eine andere kurzzuschließende Lastuntergruppe mittels eines pulsweitenmoduliert gesteuerten Übergangs zwischen den beiden Kurzschlusssignalen zu erzeugen. Die jeweiligen Ansteuersignale der Übersteuerungsstufen können komplementär vorliegenden, das heißt während des Überblendens ist jeweils immer nur eines der beiden Übersteuerungssignale aktiv. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, zwischen den beiden Übersteuerungssignalen, zwischen denen eine Überblendung erfolgt, eine vorgebbare Totzeit zu schalten, in der die Steuerungseinrichtung wieder selbsttätig den Zustand ansteuert, welcher der gerade anliegenden Gleichrichterausgangsspannung entspricht. Eine derartige Ansteuerung kann vorteilhaft in einer programmierbaren Recheneinheit implementiert sein. Durch die geschickte Kombination der beiden steuerbaren Eingriffsgrößen, nämlich Auswahl der kurzzuschließenden LED-Stränge einerseits und somit Festlegung der Flussspannung der im Strompfad verbleibenden LED-Stränge und Stromwert des Stroms durch die in Serie geschalteten LED-Stränge andererseits kann somit auch bei einer sich stark ändernden Eingangsspannung ein konstanter Lichtstrom erzeugt werden bei einer gleichzeitig hohen Effizienz, wodurch ein besonders langer Betrieb aus einer Batterie ermöglicht wird. Ein Umschalten der LED-Stränge kann ohne wahrnehmbare Helligkeitsänderung erfolgen, eine sprunghafte Helligkeitsänderung, welche in Deutschland aufgrund der für Notlichtanwendungen geltenden Vorschriften nicht zulässig ist, kann somit zuverlässig vermieden werden. Eine Ansteuerung von Level-Shifter-Transistoren der Übersteuerungsstufen kann somit direkt beispielsweise über eine programmgesteuerte Recheneinheit (Mikrocontroller/Mikroprozessor) erfolgen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Spannungsteileeinrichtung dazu ausgelegt, bei DC-Betrieb einen Strom mit einem höheren Stromwert als für AC-Betrieb vorgegeben zu steuern, wobei die Spannungsteilereinrichtung insbesondere einen Anzapfungspunkt innerhalb einer Spannungsteilerkette aufweist, welcher über die Serienschaltung einer vierten Diode und eines sechsten Widerstandselements mit dem Schaltsignal elektrisch gekoppelt ist. Da sich bei der Umschaltung auf einen DC-Betrieb der Sollwert für den Strom verändert, kann es notwendig sein, diesen entsprechend anzupassen. Mit einem sehr geringen schaltungstechnischen Zusatzaufwand lässt sich eine Erhöhung des Stromsollwerts auf diese Weise erreichen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Spannungsteilereinrichtung dazu ausgelegt, bei DC-Betrieb einen Strom mit einem niedrigeren Stromwert als für AC-Betrieb vorgegeben zu steuern, wobei die Spannungsteilereinrichtung insbesondere einen Anzapfungspunkt innerhalb einer Spannungsteilerkette aufweist, welcher über einen Shuntregler mit dem dritten Gleichrichteranschluss elektrisch gekoppelt ist, wobei ein Referenzanschluss des Shuntreglers mit dem Mittelpunkt eines Spannungsteilers, welchem das Schaltsignal zugeführt wird und der ebenso wie der Shuntregler auf den dritten Gleichrichteranschluss bezogen ist, elektrisch gekoppelt ist. Auch die Absenkung des Stromwerts lässt sich somit mit einem geringen Aufwand an schaltungstechnischen Mitteln erzielen. Bei dem Shuntregler kann es sich beispielsweise um einen Baustein TL431 handeln, welcher von verschiedenen Herstellern angeboten wird. Eine Absenkung des Stromwerts ist dadurch besonders vorteilhaft, dass hierdurch der Stromverbrauch der Schaltungsanordnung auf das erforderliche Minimum (zuzüglich eventueller Sicherheitsreserven) abgesenkt werden kann. Hierdurch kann im Notlichtbetrieb eine lange Betriebsdauer an einer Zentralbatterie erzielt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung eine Temperaturrückregelung auf, mittels der im AC-Betrieb eine Reduktion des Stroms auf einen niedrigeren Stromwert als in einem Nennbetrieb erfolgt, wenn eine vorgebbare Temperaturschwelle an einem Temperaturmesspunkt der Schaltungsanordnung überschritten ist, wobei die Reduktion des Stroms im DC-Betrieb unterdrückt ist. In einem Normalbetrieb an einer Wechselspannungsquelle (AC-Betrieb) besteht die Forderung nach einer entsprechend vorgegebenen Lebensdauer, beispielsweise 50.000 Stunden. Die prognostizierte Lebensdauer kann jedoch nur erreicht werden, wenn die Schaltungsanordnung innerhalb der vorgegebenen Temperaturgrenzen betrieben wird, eine Überschreitung der zulässigen Temperaturen kann zu einer vorzeitigen Verschlechterung oder gar zum totalen Ausfall von LEDs führen. Aus diesem Grund ist eine Temperaturrückregelung vorgesehen, die bei hohen Umgebungstemperaturen die Leistung in den LED-Strängen reduziert, so dass insgesamt die Temperaturen in dem zulässigen Bereich bleiben. Ein solches Betriebsverhalten ist in einem Notlichtbetrieb allerdings unerwünscht, wenn von außen einwirkende Umgebungsbedingungen (Brand) für erhöhte Temperaturen sorgen. In einem solchen Fall darf keine Reduktion des für den Notlichtbetrieb vorgegebenen Lichtstroms geschweige denn eine Abschaltung der Schaltungsanordnung und damit des Leuchtmittels erfolgen. Eine Unterdrückung der Temperaturrückregelung lässt sich vorteilhaft unter Zuhilfenahme der Erkennungseinrichtung verwirklichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Spannungsausgleichslängsimpedanz ein siebentes Widerstandselement auf, welches elektrisch leitend mit dem dritten Gleichrichteranschluss verbunden ist und von dem Strom durch die Lastuntergruppen durchflossen ist. Durch den Potentialbezug auf den dritten Gleichrichteranschluss ergibt sich somit eine besonders einfache Möglichkeit der Ansteuerung mit einem gemeinsamen Potentialbezug auf den dritten Gleichrichteranschluss der weiteren für die Steuerung der Schaltungsanordnung relevanten Funktionsgruppen, beispielsweise der Spannungsteilereinrichtung oder der Steuereinrichtung. Das siebente Widerstandselement dient vorteilhaftweise in einer ersten Funktion als Gegenkopplungswiderstand der Spannungsausgleichslängsimpedanz und in einer zweiten Funktion als Messwiderstand zur Bereitstellung eines zu dem Strom durch die Spannungsausgleichslängsimpedanz proportionalen Spannungswerts, welcher an eine übergeordnete Regelung zur Einstellung des Stroms durch die Spannungsausgleichslängsimpedanz bereitstellbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist durch die Spannungsausgleichslängsimpedanz in Verbindung mit der Spannungsteilereinrichtung ein Stromspiegel ausgebildet. Insbesondere kann ein durch einen Fußwiderstand der Spannungsteilereinrichtung, welcher elektrisch leitend mit dem dritten Gleichrichteranschluss, also vorliegend dem Bezugspotential, verbunden ist, fließender Strom im Verhältnis des Fußwiderstands zu einem Fußwiderstand in der Spannungsausgleichslängsimpedanz abgebildet werden. Dadurch lässt sich besonders einfach die Abhängigkeit des gesteuerten Stroms durch die Spannungsausgleichslängsimpedanz in Abhängigkeit von der gleichgerichteten Versorgungswechselspannung bereitstellen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
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Es zeigen:
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1 in vereinfachter schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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2 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt aus der Schaltungsanordnung gemäß 1 mit konkretisierten bevorzugten Ausführungsformen von Koppelelementen und Überbrückungselementen der einzelnen Lastuntergruppen sowie der Steuereinrichtung mit erfindungsgemäßen Übersteuerungsstufen,
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3 in schematischer Darstellung eine alternative Ausführungsform der Übersteuerungsstufen gemäß der Darstellung in 2,
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4 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform einer Erkennungseinrichtung zur Unterscheidung eines DC-Betriebs von einem AC-Betrieb,
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5 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Spannungsteilereinrichtung einer Spannungsausgleichslängsimpedanz sowie einer Temperaturrückregelung, und
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6 eine schematische Darstellung der Funktionsgruppen gemäß der Darstellung aus 5 mit einer alternativen Ausführungsform der Spannungsteilereinrichtung.
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In der 1 ist eine Schaltungsanordnung 10 zum Betreiben eines ersten, eines zweiten und eines dritten LED-Strangs dargestellt, wobei die Schaltungsanordnung 10 wahlweise mit einer Gleichspannungsquelle 11 oder einer Wechselspannungsquelle 12 koppelbar ist. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst einen Gleichrichter 14 mit vier Gleichrichteranschlüssen 14a, 14b, 14c, 14d, wobei der erste Gleichrichteranschluss 14a und der zweite Gleichrichteranschluss 14b mit der Wechselspannungsquelle 12 oder der Gleichspannungsquelle 11 koppelbar sind. Der erste Gleichrichteranschluss 14a und der zweite Gleichrichteranschluss 14b stellen somit die Eingangsanschlüsse des Gleichrichters 14 dar. Der dritte Gleichrichteranschluss 14c und der vierte Gleichrichteranschluss 14d dienen der Bereitstellung einer Gleichrichterausgangsspannung Urect, wobei in dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der dritte Gleichrichteranschluss 14c einen Minus-Anschluss und der vierte Gleichrichteranschluss 14d einen Plus-Anschluss bildet. Der Plus-Anschluss weist ein Plus-Potential 16 und der Minus-Anschluss weist ein Minus-Potential 18 auf. Das Minus-Potential 18 ist gleichzeitig auch als Bezugspotential GND der Schaltungsanordnung 10 festgelegt.
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Die Schaltungsanordnung 10 umfasst drei Lastuntergruppen, nämlich eine erste Lastuntergruppe 100, eine zweite Lastuntergruppe 200 und eine dritte Lastuntergruppe 300. Die erste Lastuntergruppe 100 weist einen ersten Anschluss 102 sowie einen zweiten Anschluss 104 auf, wobei zwischen den ersten Anschluss 102 und den zweiten Anschluss 104 ein Überbrückungselement 120 geschaltet ist. Weiterhin weist die erste Lastuntergruppe 100 einen ersten LED-Strang bestehend aus 56 in Reihe geschalteten LEDs D100 bis D155 auf, welcher über ein Koppelelement 110 elektrisch an den ersten Anschluss 102 und den zweiten Anschluss 104 gekoppelt ist. Das Koppelelement 110 ist als Vierpol ausgebildet mit einem ersten Primäranschluss 106 und einem zweiten Primäranschluss 108, sowie mit einem ersten Sekundäranschluss 112 sowie einem zweiten Sekundäranschluss 114. Der erste Anschluss 102 ist mit dem ersten Primäranschluss 106 elektrisch leitend verbunden, ebenso ist der zweite Anschluss 104 elektrisch leitend mit dem zweiten Primäranschluss 108 verbunden. Der erste Sekundäranschluss 112 ist elektrisch leitend mit einem Anodenanschluss der LED D155 verbunden und der zweite Sekundäranschluss 114 ist elektrisch leitend mit einem Kathodenanschluss der LED D100 verbunden. Somit ist der erste LED-Strang – umfassend die LEDs D100 bis D155 – zwischen die Sekundäranschlüsse 112, 114 des Koppelelements 110 geschaltet.
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In einer einfachen Ausführungsform kann beispielsweise innerhalb des Koppelelements eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Primäranschluss 106 sowie dem ersten Sekundäranschluss 112 und ebenso eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem zweiten Primäranschluss 108 und dem zweiten Sekundäranschluss 114 realisiert sein. Innerhalb des Koppelelements 110 kann der erste Primäranschluss 106 von dem ersten Primäranschluss 108 elektrisch isoliert angeordnet sein.
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In gleicher Weise wie die erste Lastuntergruppe 100 sind auch eine zweite Lastuntergruppe 200 und eine dritte Lastuntergruppe 300 aufgebaut. Die einander entsprechenden Elemente sind mit korrespondierenden Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei jeweils die Hunderterstelle der Bezugszeichen auf die entsprechende Lastuntergruppe hinweist. So ist beispielsweise ein erster Anschluss der zweiten Lastuntergruppe 200 mit 202 bezeichnet und ein erster Sekundäranschluss eines dritten Koppelelements 310 der dritten Lastuntergruppe 300 ist mit 312 bezeichnet. Im Aufbau unterscheidet sich die zweite Lastuntergruppe 200 von der ersten Lastuntergruppe 100 dadurch, dass die Anzahl der LEDs in dem zweiten LED-Strang lediglich halb so groß ist, das heißt es sind 28 LEDs D200 bis D227 angeordnet zwischen den beiden Anschlüssen 212 und 214. In gleicher Weise ist die Anzahl der LEDs in der dritten Lastuntergruppe 300 wiederum auf die Hälfte reduziert. Hier sind 14 LEDs D300 bis D313 zwischen dem ersten Sekundäranschluss 312 und dem zweiten Sekundäranschluss 314 gekoppelt.
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Die Schaltungsanordnung 10 weist ferner eine Steuereinrichtung 20 auf, welche mit den drei Lastuntergruppen 100, 200, 300 gekoppelt ist. Teile der Steuereinrichtung 20 können hierbei gleichzeitig auch Teil einer der Lastuntergruppen 100, 200, 300 sein. Die Einwirkung der Steuereinrichtung 20 auf die Überbrückungselemente der einzelnen Lastuntergruppen 100, 200, 300 in Form des ersten Überbrückungselements 120, des zweiten Überbrückungselements 220 sowie des dritten Überbrückungselements 320 sind durch entsprechende Pfeile angedeutet. Die drei Lastuntergruppen 100, 200, 300 sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei der zweite Anschluss 104 der ersten Lastuntergruppe 100 mit dem ersten Anschluss 202 der zweiten Lastuntergruppe 200 elektrisch leitend verbunden ist sowie ein zweiter Anschluss 204 der zweiten Lastuntergruppe 200 elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss 302 der dritten Lastuntergruppe 300 elektrisch leitend verbunden ist.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Plus-Anschluss, welcher das Plus-Potential 16 führt, elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 102 der ersten Lastuntergruppe 100 verbunden.
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Die Schaltungsanordnung weist weiterhin eine Hilfsgleichspannungsquelle 22 auf, welche an ihrem Minus-Anschluss mit dem Minus-Potential 18 gekoppelt ist und an ihrem Plus-Anschluss mit der Steuereinrichtung 20 gekoppelt ist. Zwischen den zweiten Anschluss 304 der dritten Lastuntergruppe 300 und das als Bezugspotential GND dienende Minus-Potential 18 ist eine Spannungsausgleichslängsimpedanz 24 gekoppelt, welche von einem Strom mit einem Stromwert Ireg durchflossen wird. Zwischen das Plus-Potential 16 und das Minus-Potential 18 ist eine Spannungsteilereinrichtung 26 gekoppelt, welche ein Steuersignal 28 an die Spannungsausgleichslängsimpedanz 24 bereitstellt.
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2 zeigt eine konkretisierte erste Ausführungsform eines Teils der Schaltungsanordnung 10, nämlich der drei Lastuntergruppen 100, 200, 300 sowie einer ersten Übersteuerungsstufe 221 und einer zweiten Übersteuerungsstufe 231, welche jeweils Teil der Steuereinrichtung 20 sind. Das Überbrückungselement 120 ist hierbei durch zwei Transistoren Q12, Q13 realisiert, welche in Darlington-Schaltung angeordnet sind. Die Transistoren Q12, Q13 sind bevorzugt als PNP-Transistoren ausgebildet, wobei der Emitter des Transistors Q12 elektrisch leitend verbunden ist mit dem ersten Anschluss 102 und der Kollektor des Transistors Q12 elektrisch mit dem Kollektor des Transistors Q13 und außerdem mit dem zweiten Anschluss 104 elektrisch leitend verbunden ist. Weiterhin ist die Basis des Transistors Q12 mit dem Emitter des Transistors Q13 elektrisch leitend verbunden. Zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors Q12 ist ein Widerstandselement R14 angeordnet, zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors Q13 ist ein Widerstandselement R13 angeordnet. Der Anschluss der Basis des Transistors Q13 ist an die Steuereinrichtung 20 gekoppelt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Koppelelement 110 eine Diode D13 auf, welche zwischen den ersten Primäranschluss 106 und den ersten Sekundäranschluss 112 gekoppelt ist. Zwischen den ersten Sekundäranschluss 112 und den zweiten Sekundäranschluss 114 ist ein Kondensator C13 gekoppelt. Somit ist der Kondensator C13 parallel geschaltet zu dem ersten LED-Strang mit den LEDs D100 bis D155. Zwischen den ersten Anschluss 102 und den zweiten Anschluss 104 der ersten Lastuntergruppe 100 ist eine Serienschaltung aus einem Kondensator C12 und einer Diode D12 gekoppelt. Die Diode D12 ist hierbei so orientiert, dass sich der Kondensator C12 bei einem Sperren des Überbrückungselements 120 auf die Spannung auflädt, welche durch die Flussspannung der in Durchlassrichtung betriebenen LEDs D100 bis D155 gegeben ist. Die Anode der Diode D12, welche mit dem Kondensator C12 gekoppelt ist, ist außerdem elektrisch mit dem Emitter eines Transistors Q11 gekoppelt, welcher als NPN-Transistor ausgebildet ist. Der Kollektor des Transistors Q11 ist über ein Widerstandselement R12 mit dem Steueranschluss des Überbrückungselements 120 gekoppelt. Zwischen den Steueranschluss (Basisanschluss Transistor Q13) und den zweiten Anschluss 104 kann optional ein Kondensator C11 geschaltet sein. Zwischen die Basis des Transistors Q11 und die Hilfsgleichspannungsquelle 22 ist eine Serienschaltung aus einer Diode D11 und einem Widerstandselement R11 geschaltet. Die konkretisierten Formen der zweiten Lastuntergruppe 200 und der dritten Lastuntergruppe 300 sind entsprechend identisch aufgebaut, wobei die konkretisierten Bauelemente, welche aneinander entsprechen, mit korrespondierenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind, wobei jeweils die Zehnerstelle der Bezugszeichen auf die entsprechende Lastuntergruppe hinweist. So sind beispielsweise die von dem Koppelelement 310 umfassten Bauelemente durch die Diode D33 und den Kondensator C33 gegeben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung 20 eine erste Übersteuerungsstufe 221 sowie eine zweite Übersteuerungsstufe 231. Die erste Übersteuerungsstufe 221 umfasst einen Transistor Q502, welcher als NPN-Transistor ausgebildet ist, dessen Kollektor über ein Widerstandselement R509 mit dem Steueranschluss des Überbrückungselements 220 gekoppelt ist. Der Emitter des Transistors Q502 ist über ein Widerstandselement R522 mit dem Bezugspotential GND gekoppelt. Zwischen die Basis des Transistors Q502 und das Bezugspotential ist außerdem ein Kondensator C504 gekoppelt. Ein Schaltsignal CENTRAL_OFF ist über ein Widerstandselement R508 auf die Basis des Transistors Q502 gekoppelt. Im Normalbetrieb, also insbesondere im AC-Betrieb, ist das Überbrückungselement 220 dann in einen Kurzschluss-Zustand gesteuert, wenn das Potential an dem zweiten Anschluss 204 entsprechend niedriger ist als das durch die Hilfsgleichspannungsquelle 22 an der Diode D21 bereitgestellte Potential, so dass ein Basisstrom durch den Transistor Q21 fließt, in dessen Folge ein Kollektorstrom durch den Transistor Q21 ermöglicht wird, der den Steuerstrom für die Darlington-Transistoren Q22, Q23 liefert. Der Ansteuerstrom für das Überbrückungselement 220 wird dabei aus dem Kondensator C22 entnommen. Eine Steuerung des Überbrückungselements 220 umfassend die beiden Transistoren Q22 und Q23 in einem niederohmig leitenden Zustand beziehungsweise Kurzschluss-Zustand kann daher nur solange erfolgen, wie eine ausreichende Ladung in dem Kondensator C22 zur Verfügung steht. Durch die Übersteuerungsstufe 221 wird nunmehr die Möglichkeit einer permanenten Ansteuerung in einen Kurzschluss-Zustand des Überbrückungselements 220 geschaffen. Über den Transistor Q502 wird ein Strompfad für den Basisstrom des Überbrückungselements 220 gegeben durch die Transistoren Q22, Q23 bereitgestellt, wenn das Schaltsignal CENTRAL_OFF einen positiven Wert, beispielsweise der Hilfsgleichspannungsquelle 22 annimmt, welche zu einem Durchschalten des Transistors Q502 führt. Die Hilfsspannung, auf die das Schaltsignal im aktivierten Zustand geschaltet ist, wird mit VAUX bezeichnet. Auf diese Weise kann ein Einschalten des Überbrückungselements 220 unabhängig von einem Schaltzustand des Transistors Q21 und einem Ladezustand des Kondensators C22 erreicht werden.
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Die zweite, identisch aufgebaute Übersteuerungsstufe 231 umfasst die Widerstandselemente R511, R512, R523 sowie einen Kondensator C505 und einen NPN-Transistor Q504. Die zweite Übersteuerungsstufe 231 ist an den Steueranschluss des dritten Überbrückungselements 320, also an die Basis des Transistors Q33 gekoppelt.
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Da die Spannung im Notstrombetrieb eine Gleichspannung von 275 Volt bis 176 Volt ist, muss in jeder Spannungslage sichergestellt sein, dass die LEDs mit konstanter Helligkeit leuchten. Da die gesamte Vorwärtsspannung der LED-Stränge aber im Normalfall über 176 Volt liegt, muss ein LED-Strang oder mehrere LED-Stränge deaktiviert werden. Dies geschieht durch einen Eingriff in den Basisstrom des jeweiligen Schalttransistors (Q23 oder Q33) mit einem Widerstandselement (R509 oder R512), der über einen „Level-Shift-Transistor“ (Q502/Q504) gegen das Bezugspotential GND geschaltet wird. Somit wird der Transistor Q23/Q33 leitend. Eine bei 230 Volt Netzspannung übliche Spannungsaufteilung der einzelnen LED-Stränge ist 160 Volt/80 Volt/40 Volt. Eine Deaktivierung des zweiten LED-Strangs und des dritten LED-Strangs, also einer Ansteuerung der Überbrückungselemente 220, 320 in den Kurzschluss-Zustand führt somit zu einer Vorwärtsspannung von circa 160 Volt. Die restliche Spannung (Netzspannung minus 160 Volt) fällt an der Spannungsausgleichsimpedanz, welche als Linearregler ausgelegt sein kann, ab.
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Alternativ dazu kann auch – was in der 2 nicht dargestellt ist – das Überbrückungselement 120 in den Kurzschluss-Zustand gesteuert werden, indem den Transistoren Q12, Q13 ein permanent verfügbarer Basisstrom in ausreichender Höhe zur Verfügung gestellt wird. Dazu ist eine Übersteuerungsstufe gemäß dem Aufbau der Übersteuerungsstufen 221, 231 mit dem Steueranschluss des Überbrückungselements 120, also der Basis des Transistors Q13 zu koppeln. Dies hat zur Folge, dass der oberste und damit der längste LED-Strang überbrückt wird. Es verbleiben noch der zweite LED-Strang und der dritte LED-Strang, die vom Strom durchflossen werden. Somit ergibt sich an dem zweiten Strang und dem dritten Strang eine Vorwärtsspannung von circa 120 Volt. Die restliche Spannung (Netzspannung minus 120 Volt) fällt an der Spannungsausgleichslängsimpedanz 24, welche beispielsweise als Linearregler ausgebildet sein kann, ab.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform für eine Kombination der beiden Übersteuerungsstufen 221, 231, wenn die zweite Übersteuerungsstufe 231 immer synchron mit der ersten Übersteuerungsstufe 221 über das gemeinsame Schaltsignal CENTRAL_OFF anzusteuern ist. Der aus der 2 bekannte Schaltungsteil der Übersteuerungsstufe 221 ist hier unverändert vorhanden zur Ansteuerung des zweiten Überbrückungselements 220, zur Ansteuerung des dritten Überbrückungselements 320 genügt in diesem Fall das Widerstandselement 512 sowie eine Diode D504, welche den Transistor Q504 ersetzt. Die weiteren Bauelemente R511, R523 und C503 können somit entfallen. Hierdurch kann ein Level-Shift-Transistor eingespart werden, welcher üblicherweise als Hochvolt-Transistor, beispielsweise 500 Volt, ausgebildet ist.
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Eine Erkennungseinrichtung 40 zur Unterscheidung eines DC-Betriebs von einem AC-Betrieb ist in der 4 dargestellt. Hierzu wird die gleichgerichtete Netz-Eingangsspannung, also die Gleichrichterausgangsspannung Urect über einen Hochpass, welcher durch die Bauelemente C501, R501 und R502 ausgebildet ist, analysiert. An einem Abgriffspunkt des Hochpasses wird mittels einer Diode D501 ein Wechselspannungsanteil abgegriffen. Dabei ist zwischen den Abgriffspunkt und das Plus-Potential 16 ein Kondensator C501 gekoppelt sowie zwischen den Abgriffspunkt und das Bezugs-Potential GND eine Serienschaltung aus einem Widerstandselement R501 und einem Widerstandselement R502. Die Diode D501 ist mit ihrer Anode mit dem Abgriffspunkt elektrisch gekoppelt. An der Kathode der Diode D501 ist eine Serienschaltung aus einem Widerstandselement R504 und einem Widerstandselement R503 geschaltet, welche zusammen mit einem Kondensator C502 einen Tiefpass bilden. Der Kondensator C502 ist mit dem Bezugs-Potential GND verbunden. Zu dem Kondensator C502 ist außerdem ein Widerstandselement R506 sowie eine Zehnerdiode D502 parallel geschaltet. Die Zenerdiode D502 ist dabei so angeordnet, dass sie eine Ladung des Kondensators C502 über die Diode D501 über die Zenerspannung der Diode D502 hinaus verhindert. Der hierdurch gebildete Abgriffspunkt des Kondensators C502 ist gekoppelt mit dem Gate eines P-Kanal-MOSFETS Q501. Der Source-Anschluss des MOSFET Q501 ist hierbei mit der Hilfsspannung VAUX gekoppelt, welche beispielsweise von der Hilfsgleichspannungsquelle 22 bereitgestellt sein kann. Zwischen den Drain-Anschluss des Transistors Q501 und das Bezugspotential GND ist ein Kondensator C503 geschaltet. Über dem Kondensator C503 kann somit das Schaltsignal CENTRAL_OFF abgegriffen werden. Parallel zu dem Kondensator C503 liegt – in der 4 nicht gezeigt, aber aus der 2 oder 3 zu entnehmen – zumindest die Reihenschaltung aus dem Widerstandselementen R508 und R522 sowie die Basis-Emitter-Diode des Transistors Q502. Somit ist immer eine Grundlast bei dem Signal CENTRAL_OFF vorhanden, und auch bei ausgeschaltetem Transistor Q501 ein definierter Signalpegel gegeben. Der Wechselspannungsanteil wird über einen Tiefpass bestehend aus D501, D504, R503, C502 und R506 und dem Transistor Q501 ausgewertet. Unterschreitet der Spannungswert die Spannungsschwelle UGS, wird die Hilfsspannung VAUX auf das Netz „CENTRAL_OFF“ durchgeschaltet. Ein fehlender Wechselspannungsanteil (bei DC-Spannung) in der Netzspannung wird erkannt. Ein typischer Spannungswert für die Hilfsspannung VAUX kann beispielsweise in dem Bereich 5 Volt bis 6 Volt liegen.
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5 zeigt bevorzugte Ausführungsformen der Spannungsausgleichslängsimpedanz 24, der Spannungsteilereinrichtung 26 sowie einer Temperaturrückregelung. Die Spannungsausgleichslängsimpedanz 24 umfasst einen Linearregler mit zwei Transistoren Q51, Q52 in Darlington-Schaltung, wobei die beiden Kollektoren der Transistoren Q51 und Q52 miteinander verbunden sind und elektrisch gekoppelt sind mit dem zweiten Anschluss 304 der untersten, nämlich der dritten Lastuntergruppe 300. Zwischen den Emitter-Anschluss des Transistors Q51 und das Bezugspotential GND ist eine Reihenschaltung aus zwei Widerstandselementen R56, R57 geschaltet. An einen Verbindungspunkt zwischen der Basis des Transistors Q51 und dem Emitter des Transistors Q52 ist ein Kondensator C51 gekoppelt, welcher auf der anderen Seite mit dem Bezugspotential gekoppelt ist. Die Basis des Transistors Q52 ist mit einem Abgriffspunkt der Spannungsteilereinrichtung 26 gekoppelt. Zwischen das Plus-Potential 16 und den Abgriffspunkt der Spannungsteilereinrichtung 26 ist eine Serienschaltung aus den Widerstandselementen R51, R52, R53 geschaltet. Zwischen den Abgriffspunkt der Spannungsteilereinrichtung 26 und das Bezugspotential GND ist eine Doppeldiode D51 sowie ein dazu in Serie angeordnetes Widerstandselement R55 geschaltet.
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Optional kann parallel zu der Serienschaltung aus der Doppeldiode D51 und dem Widerstandselement R55 eine Serienschaltung aus einer Diode D71 und einer Parallelschaltung aus einem Widerstandselement R71 und einem Kondensator C71 geschaltet sein, welche ein RC-Glied (R71, C71) bilden. Dieser Schaltungszweig dient einer Einschaltstrombegrenzung, so dass im Einschaltmoment nicht der volle Nennstrom durch den Linearregler eingestellt wird. Der Basisstrom des Linearreglers wird dadurch nach dem Einschalten langsam erhöht, da Ladung in das genannte RC-Glied fließt.
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Parallel zu dem Abgriffspunkt ist weiterhin ein Transistor Q66 als Teil einer Temperaturrückregelung mit seinem Kollektor gekoppelt, der Emitter des Transistors Q66 ist auf das Bezugspotential GND gekoppelt. Die Basis des Transistors Q66, welcher als NPN-Transistor ausgebildet ist, ist an einen Mittelpunkt eines Spannungsteilers angeschlossen, welcher aus Widerstandselementen R66 und R67 gebildet ist. Das Widerstandselement R67 ist parallel zu der Basis-Emitter-Diode des Transistors Q66 angeordnet. Das Widerstandselement R66, welches durch einen mit einem NTC(negative temperature coefficient)-Verhalten temperaturabhängigen Widerstandswert charakterisiert ist, ist zwischen die Basis des Transistors Q66 und die Hilfsspannung VAUX gekoppelt. Im Falle eines Temperaturanstiegs an dem temperaturabhängigen Widerstandselement R66 sinkt somit der Widerstandswert des Widerstandselements R66, was zu einem Spannungsanstieg an der Basis des Transistors Q66 und somit zu einem zunehmenden Durchsteuern des Transistors Q66 führt. Dadurch wird die Spannung an dem Abgriffspunkt der Spannungsteilereinrichtung 26 reduziert und somit der durch die Spannungsausgangslängsimpedanz 24 eingestellter Stromwert Ireg, welcher durch die Widerstandselemente R57, R56 und im weiteren Verlauf auch über den Anschluss 304 fließt, reduziert. Zur Deaktivierung der Temperaturrückregelungsfunktion im DC-Betrieb ist ein Transistor Q503 mit einem Basisvorwiderstand R510 vorgesehen, welcher mit dem Emitter auf das Bezugspotential GND gekoppelt ist. Der Kollektor des Transistors Q503, welcher als NPN-Transistor ausgebildet ist, ist mit der Basis des Transistors Q66 leitend verbunden. Über den Basisvorwiderstand R510 wird dem Transistor Q503 das Schaltsignal CENTRAL_OFF zugeführt. Um im Brandfall bei zu hoher Temperatur einen konstanten Lichtstrom bereitstellen zu können, muss sichergestellt sein, dass die Temperaturabschaltung/Temperaturrückregelung deaktiviert wird. Dies geschieht mittels des Transistors Q503. Wenn das Schaltsignal CENTRAL_OFF einen positiven Wert in Höhe der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q503 überschreitet, wird über den einschaltenden Transistor Q503 die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q66 reduziert, wodurch der Eingriff durch den temperaturabhängigen Spannungsteiler R66, R67 verhindert und somit die Temperaturrückregelung deaktiviert wird.
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In der 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform zur möglichen Erhöhung des Stromwertes Ireg dargestellt. Die Schaltspannung CENTRAL_OFF wird auf den Spannungsteiler an einem Einspeisepunkt zwischen den Widerstandselementen R52 und R53 mittels der Serienschaltung eines Widerstandselements R507 und einer Diode D503 aufgeschaltet. Dies führt entweder zu keiner Beeinflussung des Spannungsteilers, wenn die Spannung an der Kathode von D503 höher ist als die Schaltspannung CENTRAL_OFF, oder zur Erhöhung des Stromwertes Ireg.
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In der 6 wird eine bevorzugte Ausführungsform zur möglichen Verringerung des Stromwertes Ireg dargestellt. Die Darstellung entspricht dabei weitestgehend der Darstellung in der 5, der Unterschied besteht in dem Schaltungsteil, welcher an die Spannungsteilereinrichtung 26 aufgeschaltet wird. In dieser Ausführungsform wird die Schaltspannung CENTRAL_OFF auf einen Spannungsteiler gebildet aus den Widerstandselementen R517 und R515 aufgeschaltet. Der Mittelabgriff des Spannungsteilers gebildet aus den beiden Widerstandselementen R515 und R517 liegt an einem Referenzspannungseingang eines Shuntreglers, bevorzugt eines TL431-Bausteins. Überschreitet die Referenzspannung einen Wert von 2,5 Volt, so wird die Kathodenspannung ebenfalls auf 2,5 Volt begrenzt. Somit ist die Spannung an dem Widerstandselement R53 und somit auch der Strom durch den Linearregler und somit durch die LEDs begrenzt. Solange die Referenzspannung unter 2,5 Volt liegt, ist der TL431-Baustein hochohmig und greift nicht in den Spannungsteiler um R51, R52, R53 ein.
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Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Insbesondere die konkreten Ausgestaltungen der Lastuntergruppen 100, 200, 300 sowie der Steuereinrichtung 20 und der Spannungsteilereinrichtung 26 können beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der dritte Gleichrichteranschluss 14c als Minus-Anschluss ausgebildet und mit einem Bezugspotential GND gekoppelt. Selbstverständlich kann der dritte Gleichrichteranschluss 14c auch durch einen Plus-Anschluss gegeben sein, wobei das Bezugspotential dann durch das Minus-Potential gegeben ist. Bei dieser getauschten Zuordnung sind dann entsprechend die Richtungen der Dioden entsprechend anzupassen. Ebenso ist in diesem Fall auch die Polarität der Hilfsgleichspannungsquelle 22 zu ändern. Transistoren sind in diesem Fall zweckmäßigerweise durch ihre Komplementärtransistoren zu ersetzen, das heißt NPN-Transistoren werden durch PNP-Transistoren und umgekehrt ersetzt sowie N-Kanal-MOSFET werden durch P-Kanal-MOSFET und umgekehrt ersetzt.
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Für eine ausführlichere Darstellung der Schaltvorgänge im AC-Betrieb, welcher mit einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung durchgeführt werden kann, wird auf eine frühere Arbeit eines der beiden Erfinder verwiesen, welche in der eingangs zitierten
DE 10 2013 222 226 B3 dargestellt ist und in vollem Umfang hierin durch Verweis aufgenommen wird. Insbesondere wird hierin der Teil des Dokuments durch Verweis aufgenommen, welcher Erläuterungen und Konkretisierungen zu Merkmalen der vorliegenden Erfindung betrifft.
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Somit wurde voranstehend gezeigt, wie ein Betrieb von LED-Strängen mit seriell geschalteten Lastuntergruppen an einer zentralen Notstromversorgung aus einer DC-Quelle möglich ist. Eine Einhaltung der Normen bezüglich konstanter Lichtabgabe im Notstromfall wird sowohl bei sich verringernder DC-Spannung als auch bei Übertemperatur erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201439 A1 [0003]
- DE 102013222226 B3 [0004, 0056]
