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Es wird ein Verfahren und eine Anordnung beschrieben, wie im Bereich der Allgemeinbeleuchtung eine Halbleiterquelle treiberlos bei akzeptabler Lichtqualität („Stroboscopic Acceptability“) an einer 3-Phasenwechselspannung betrieben werden kann.
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Die US 2016 / 0 242 248 A1 beschreibt einen Spannungswandler und Gleichrichter zur Stromversorgung von LED-Lampen, wobei der Spannungswandler eine dreiphasige Primärwicklung und mindestens zwei dreiphasige Sekundärwicklungen aufweist, wobei die Ausgänge der Sekundärwicklungen mit den Gleichrichtern verbunden sind. Die Sekundärwicklungen sind für mehrere Primärwicklungen in verschiedene Phasen unterteilt und sind mit verschiedenen Verbindungen zwischen Ausgängen der Sekundärwicklungen verbunden, um die gewünschten Phasenunterschiede zu erzeugen, oder die Sekundärwicklungen haben jeweils ihre eigene Primärwicklung, wobei die Verbindungen zwischen den Ausgängen der Sekundärwicklungen eine charakteristische, gewünschte Phasendifferenz aufweisen.
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Die US 2014 / 0 375 214 A1 beschreibt ein Lichtemissionsdioden (LED) -Beleuchtungssystem, das in der Lage ist, eine konstante Beleuchtung durch LED-Leiter bereitzustellen, die mit Stromquellen in einem Mehrphasensystem gekoppelt sind, wobei jeder LED-Leiter jeweils mit einer Stromquelle gekoppelt ist.
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Die
EP 2 568 773 A2 beruht auf einer mehrphasigen Wechselstromleistung mit Phasendifferenz- oder Gleichstromenergie, wobei die Mehrphasen-Wechselstromleistung gleichgerichtet wird, um einen gemeinsam-elektrisch angetriebenen Leuchtkörper anzutreiben, oder um einzeln installierte elektrisch angetriebene Leuchtkörper getrennt anzutreiben, so dass die Pulsation des nach außen projizierten Lichts reduziert wird.
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Die US 2014 / 0 035 469 A1 schlägt eine Licht emittierende Vorrichtung vor, die elektrisch mit einer Dreiphasen-Wechselstromquelle verbunden ist und drei Licht emittierende Module umfasst. Die Licht emittierenden Module empfangen jeweils Dreiphasen-Wechselstrom. Jedes der Licht emittierenden Module umfasst eine Licht emittierende Einheit und eine Steuerschaltung, die elektrisch mit der Licht emittierenden Einheit verbunden ist. Jede der Steuerschaltungen steuert die Lichtausgangsleistung der entsprechenden Licht emittierenden Einheit gemäß der Spannungsschwankung oder Phasenvariation der Empfangsphasenleistungsquelle, und die drei Licht emittierenden Module werden zusammen auf einer stabilen Gesamtlichtausgangsleistung gehalten.
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Aus der
DE 10 2014 104 365 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Leuchtmittelanordnung bekannt, wobei die Leuchtmittelanordnung einen oder vorzugsweise zwei Leuchtmittelstränge aufweist. In dem Leuchtmittelstrang sind mehrere Leuchtmittelgruppen in Reihe geschaltet. Jeder Leuchtmittelgruppe ist eine Steuerschaltung einer Steueranordnung zugeordnet. Über die Steueranordnung kann die Anzahl der stromdurchflossenen Leuchtmittelgruppen angepasst an den Verlauf einer an dem betreffenden Leuchtmittelstrang anliegenden Versorgungsspannung erhöht oder verringert werden. Die Spannungsversorgungseinrichtung erzeugt aus mindestens zwei und vorzugsweise drei zueinander phasenverschobenen Wechselspannungen zumindest eine pulsierende Versorgungsspannung mittels einer Gleichrichterschaltung.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen:
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Bei hochwertigen Lichtlösungen werden Halbleiterlichtquellen mit einem Vorschaltgerät betrieben, das einen konstanten Gleichstrom bereitstellt, der der Anordnung von Halbleiterübergängen (LED, OLED, Laserdiode usw.) zugeführt wird.
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Aufgrund des Kompromisses aus Wirtschaftlichkeit, Bauvolumen und Lebensdauer fällt bei handelsüblichen LED-Lampen das Vorschaltgerät zuerst aus. Die Temperaturbelastung führt zum beschleunigten Austrocknen der Elektrolytkondensatoren, die als Energiespeicher verbaut werden. Langlebige und gleichzeitig wirtschaftliche Vorschaltgeräte sind entweder voluminös, sind nicht zur Integration in die Lichtquelle selbst geeignet oder sind sehr kostspielig und erschließen somit nicht den Massenmarkt.
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Bei niederwertigen Lichtlösungen werden Halbleiterlichtquellen an 1-Phasen Wechselspannung direkt betrieben. Halbleiterlichtquellen sind im Gegensatz zum Glühfaden klassischer Glühlampen in der Lage, der zeitlichen Änderung der Stromstärke de facto trägheitsfrei zu folgen. Während ein an Wechselspannung betriebener Glühfaden aufgrund seiner thermischen Trägheit auch beim Stromnulldurchgang Licht emittiert, erlischt eine Halbleiter-Lichtquelle bereits beim Unterschreiten der Flussspannung und somit deutlich vor dem Nulldurchgang. Tatsächlich beträgt die Einschaltdauer von Halbleiterlichtquellen an 1 Phasen-Wechselspannung ca. 10-30 % der Zeit pro Periode Netzfrequenz. Hierbei werden beide Spannungs-Halbwellen in zwei Methoden verwendet: Gleichrichtung oder 2-Strangmethode.
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Deweiteren ist bekannt, dass das Pulsieren (100/120 Hz, 100 % PF) der Halbleiter-Lichtquelle, umgangssprachlich „flimmern“, zu photoinduzierter Epilepsie, Migräne und/oder Konzentrationsschwäche beim Menschen führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiterlichtquelle in vorschaltgerätfreier Betriebsweise und mit einer akzeptablen Lichtqualität zu betreiben.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Verfahrensanspruches 1. Eine Anordnung benennt Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird für ein Verfahren zum Betrieb von einer Halbleiterlichtquelle aus mindestens einer Reihenschaltung von mehreren Halbleiterübergängen vorgeschlagen, dass mindestens eine Reihenschaltung am Anschlusspaar L1-N, mindestens eine Reihenschaltung am Anschlusspaar L2-N, mindestens eine Reihenschaltung am Anschlusspaar L3-N und mindestens eine Reihenschaltung an den Anschlusspaaren L1-L2, L2-L3 und L3-L1 einer 3-Phasenwechselspannung so betrieben werden, dass durch den Versatz der Phasenlagen eine Halbleiterlichtquelle mit einer Lichtfrequenz entsteht, die der 12-fachen Grundfrequenz der Netzspannung entspricht.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine Glättung der Versorgungsspannung oder der PFC (Power Factor Correction) der mindestens einen Reihenschaltung oder einzelner Halbleiterübergänge vorgenommen wird. Dadurch kann eine Streckung der Pulse erreicht werden und damit eine größere Überlappung der Kurvenverläufe der einzelnen Pulse. Das hat den Vorteil, dass das 600/720 Hz - Flimmern reduziert wird und sich so die Stroboscopic Acceptability erhöht.
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Die Glättung kann kapazitiv oder induktiv vorgenommen werden.
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Beim Betrieb mit einer 3-Phasenwechselspannung werden drei Ausführungsformen bevorzugt:
- - Sechs Reihenschaltungen von Halbleiterübergängen werden mit den Anschlusspaare L1-N, L2-N, L3-N, L1-L2, L2-L3 und L3-L1 der 3-Phasenwechselspannung unter Nutzung eines Einpasengleichrichters pro Reihenschaltung betrieben.
- - Die positiven und die negativen Pulse jedes Spannungsstranges der Anschlusspaare L1-N, L2-N, L3-N, L1-L2, L2-L3 und L3-L1 laufen über getrennte Reihenschaltungen, somit zwölf, jeweils ohne Gleichrichter.
- - Die Reihenschaltungen von Halbleiterübergängen mit den Anschlusspaaren L1-N, L2-N und L3-N werden unter Nutzung eines Einphasengleichrichters pro Reihenschaltung und eine Reihenschaltung mit den Anschlusspaaren L1-L2, L2-L3 und L3-L1 wird unter Nutzung eines Dreipasengleichrichters betrieben.
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Weiter sieht eine Ausgestaltung vor, dass eine Veränderung des Lichtstromes, d.h. der Helligkeit, durch Kurzschließen oder Hinzufügen von Halbleiterübergängen pro Reihenschaltung vorgenommen wird. Durch das Hinzufügen von Halbleiterübergängen wird die Helligkeit vermindert und durch das Kurzschließen erhöht.
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Eine Anordnung zum Betrieb einer Halbleiterlichtquelle aus mindestens einer Reihenschaltung von Halbleiterübergängen sieht vor, dass die mindestens eine Reihenschaltung an Anschlusspaaren L1-N, L2-N, L3-N, L1-L2, L2-L3 und/oder L3-L1 einer 3-Phasenwechselspannung vorgenommen ist.
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Durch das Verringern der Anzahl der Halbleiter-Übergänge pro Reihenschaltung verringert sich das Lichtflimmern nicht linear.
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Dabei ist bevorzugt jeder Reihenschaltung ein Gleichrichter vorgeschaltet.
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Ferner können kapazitive und/oder induktive Elemente in der mindestens einen Reihenschaltung angeordnet sein zur Glättung der Versorgungsspannung oder der PFC (Power Factor Correction, Leistungsfaktorkorrekturfilter als elektrische oder elektronische Schaltung).
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Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen am Beispiel von LED's erläutert werden. Anstelle von LED's können dies auch OLED's, Laserdioden oder andere Halbleiterübergänge sein.
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Es zeigen:
- 1 eine Ausführung mit einem Einphasengleichrichter,
- 2 eine Ausführung ohne Gleichrichter und
- 3 eine Ausführung mit einem Dreiphasengleichrichter.
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1 zeigt eine Halbleiterlichtquelle mit sechs Reihenschaltungen 1.1 - 1.6 von Halbleiterübergängen 2.1-2.m in Form von LED's, mit einer Flussspannung von 2,8 V/LED.
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Die Reihenschaltungen 1.1 - 1.6 sind an den Anschlusspaaren L1-N, L2-N, L3-N, L1-L2, L2-L3 und L3-L1 der 3-Phasenwechselspannung 3 angeschlossen.
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Das Model des 3-Phasenwechsel-spannungskabels ist in der 3 oben rechts dargestellt und liegt auch den anderen Ausführungen zugrunde.
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Die Anschlusspaare L1-L2, L2-L3 und L3-L1 arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 380/400 V, während diese bei den Anschlusspaaren L1-N, L2-N und L3-N 220/230 V beträgt. Bei einer einzelnen Flussspannung von 2,8 V/LED ergeben sich somit die angegebenen unterschiedliche Anzahlen von LED's je Reihenschaltung 1.1 - 1.6.
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Die Anzahl der in Reihe befindlichen LED's 2.1 - 2.m korreliert dabei mit der Leistungsaufnahme der Halbleiterlichtquelle, der Einschaltdauer pro Periode, der Netzfrequenz sowie der Reduzierung des Lichtflimmerns durch Verschmelzen der Einzelpulse.
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Durch den Versatz der Phasenlage der 3-Phasenwechselpannung 3 entsteht die Lichtfrequenz von 600/720 Hz, was dem 12-fachen der Netzgrundfrequenz entspricht.
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Jede Reihenschaltung 1.1 - 1.6 verfügt über einen Einphasengleichrichter 4.
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Die Reihenschaltungen 1.1 - 1.6 können eine Glättung der Versorgungsspannung mittels kapazitiver und/oder induktiver Elemente erfahren.
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Dabei kann die komplette Reihenschaltung 1.1, 1.2 ... 1.6 ein derartiges Element aufweisen oder auch jeder oder einzelne Halbleiterübergänge.
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2 zeigt die Reihenschaltungen 1.1 - 1.12 für eine Halbleiterlichtquelle ohne Gleichrichter. Die positiven und die negativen Pulse eines Spannungsstranges z.B. N-L3/ L3-N laufen über getrennte Reihenschaltungen 1.1 - 1.12. Das Einsparen des Gleichrichters pro Reihenschaltung macht somit eine erhöhte Anzahl an LED's erforderlich, hier konkret die doppelte Anzahl gegenüber den Reihenschaltungen der 1.
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Die Last für jede LED reduziert sich damit auf 50%. Auch bei dieser Ausführung kann geglättet werden unter Verwendung kapazitiver oder/oder induktiver Elemente.
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3 zeigt eine Abwandlung der Reihenschaltung von LED's gemäß der Fig. 1 für eine Halbleiterlichtquelle unter Verwendung von vier Reihenschaltungen 1.1 - 1.4, von einem Dreiphasengleichrichter 5 und von drei Einphasengleichrichtern 4. Dabei werden die Reihenschaltungen 1.1 - 1.3 mit den Anschlusspaaren L1-N, L2-N und L3-N unter Nutzung eines Einphasengleichrichters 4 pro Reihenschaltung und eine Reihenschaltung 1.4 mit den Anschlusspaaren L1-L2, L2-L3 und L3-L1 unter Nutzung eines Dreipasengleichrichters 5 betrieben.
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Durch diese Schaltung lässt sich die Zahl der eingesetzten LED's unter Beibehaltung der einzelnen Flussspannung von 2,8 V/LED -wie angegeben- für die eine Halbleiterlichtquelle reduzierten.
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Bezugszeichenliste
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- 1.n
- Reihenschaltungen
- 2.m
- Halbleiterübergänge LED's
- 3
- Dreiphasenwechselspannung in Anschlüssen L1, L2, L3, N
- 4
- Einphasengleichrichter
- 5
- Dreiphasengleichrichter
