DE102017100427A1 - Gleichstromversorgungsvorrichtung und Lichtsystem, das diese verwendet - Google Patents

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Hiroyuki Asano
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Abstract

Eine Aufgabe ist es, zu verhindern, dass eine Überspannung an ein Schaltelement angelegt wird. Eine Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) enthält eine Gleichrichterschaltung (3), eine Umwandlungsschaltung (4) und eine Steuerschaltung (5). Die Umwandlungsschaltung (4) enthält einen ersten Kondensator (C1), eine erste Serienschaltung (41), eine zweite Serienschaltung (42), eine dritte Serienschaltung (43), eine zweite Diode (D2) und eine Zenerdiode (ZD). Die erste Reihenschaltung (41) enthält eine erste Induktivität (L1) und ein Schaltelement (Q1), die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die zweite Reihenschaltung (42) enthält einen zweiten Kondensator (C2) und eine zweite Induktivität (L2), die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die dritte Reihenschaltung (43) enthält einen erste Diode (D1) und einen dritten Kondensator (C3), die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die erste Reihenschaltung (41) ist elektrisch zwischen die beiden Enden des ersten Kondensators (C1) geschaltet. Die zweite Reihenschaltung (42) ist elektrisch mit dem Schaltelement (Q1) parallel geschaltet. Eine Kathode der Zenerdiode (ZD) ist elektrisch mit einem Verbindungspunkt (45) der ersten Induktivität (L1) und des zweiten Kondensators (C2) verbunden. Die Zenerdiode (ZD) weist eine Zenerspannung auf, die größer als eine Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft eine Gleichstromversorgungsvorrichtung und ein Lichtsystem, das diese verwendet.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Als herkömmliches Beispiel einer Gleichstromversorgungsvorrichtung gibt es eine Ansteuervorrichtung für eine LED (lichtemittierende Diode), die in JP 2011-82204 A (nachstehend ”Dokument 1” genannt) offenbart wird. Die LED-Ansteuervorrichtung in Dokument 1 führt mit einer Diodenbrücke eine Vollwellengleichrichtung für eine Wechselspannung durch, die von einer Wechselspannungsquelle empfangen wird, und wandelt dann mit einem Gleichspannungswandler eines Schaltsteuersystems die vollwellengleichgerichtete pulsierende Spannung in eine gewünschte Gleichspannung um. Weiterhin offenbart Dokument 1, dass ein sogenannter SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) als Gleichspannungswandler in der LED-Ansteuervorrichtung verwendet wird.
  • Im Übrigen bilden andere Komponenten als ein Schaltelement, ein Ausgangskondensator und eine Diode von Schaltkreiskomponenten, die einen SEPIC bilden, einen LC-Resonanzkreis. Insbesondere wird der LC-Resonanzkreis durch einen Eingangskondensator, einen Kopplungskondensator, eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität als Komponenten gebildet. Nach Beginn der Stromzufuhr von der Wechselstromquelle kann ein Resonanzstrom während eines Zeitraums bis zum Beginn des Schaltvorgangs des Schaltelements durch den LC-Resonanzkreis fließen. Hierbei ist das Schaltelement parallel zu einer Reihenschaltung des Eingangskondensators und der ersten Induktivität und ferner parallel zu einer Serienschaltung des Koppelkondensators und der zweiten Induktivität geschaltet. Infolgedessen besteht die Möglichkeit, dass eine Überspannung an das Schaltelement angelegt wird, wenn der Resonanzstrom wie oben beschrieben durch die LC-Resonanzschaltung fließt. Insbesondere ist die Möglichkeit bemerkenswert, wenn begonnen wird, Energie aus der Wechselstromquelle in einem Zustand zuzuführen, in dem eine Spannung der Wechselstromquelle hoch ist.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Gleichstromversorgungsvorrichtung, die verhindern kann, dass eine Überspannung an ein Schaltelement angelegt wird, und eines Lichtsystems, das die Gleichstromversorgungsvorrichtung verwendet.
  • Eine Gleichstromversorgungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Gleichrichterschaltung, eine Umwandlungsschaltung und eine Steuerschaltung auf. Die Gleichrichterschaltung ist konfiguriert, eine Wechselspannung gleichzurichten, die von einer Wechselstromquelle ausgegeben wird. Die Umwandlungsschaltung ist konfiguriert, eine pulsierende Spannung von der Gleichrichterschaltung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Die Steuerschaltung ist konfiguriert, die Umwandlungsschaltung zu steuern. Die Umwandlungsschaltung enthält einen ersten Kondensator, eine erste Serienschaltung, eine zweite Serienschaltung, eine dritte Serienschaltung, eine zweite Diode und eine Zenerdiode. Die erste Reihenschaltung enthält eine erste Induktivität und ein Schaltelement, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die zweite Reihenschaltung enthält einen zweiten Kondensator und eine zweite Induktivität, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die dritte Reihenschaltung enthält einen erste Diode und einen dritten Kondensator, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Der erste Kondensator ist mit einem Paar Ausgangsenden der Gleichrichterschaltung elektrisch verbunden. Die erste Reihenschaltung ist elektrisch zwischen die beiden Enden des ersten Kondensators geschaltet. Die zweite Reihenschaltung ist elektrisch mit dem Schaltelement parallel geschaltet. Die dritte Reihenschaltung ist elektrisch mit der zweiten Induktivität parallel geschaltet. Die Steuerschaltung ist konfiguriert, eine Schaltsteuerung für das Schaltelement durchzuführen. Die zweite Diode hat: eine Anode; und eine Kathode, die mit einem Verbindungspunkt des ersten Kondensators und der ersten Induktivität verbunden ist. Die Zenerdiode hat: eine Anode; und eine Kathode, die mit einem Verbindungspunkt der ersten Induktivität und des zweiten Kondensators verbunden ist. Die Anode der zweiten Diode und die Anode der Zenerdiode sind elektrisch miteinander verbunden. Die Zenerdiode weist eine Zenerspannung auf, die größer als eine Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung ist.
  • Ein Lichtsystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält: die Gleichstromversorgungsvorrichtung; und eine Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie durch die Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung der Gleichstromversorgungsvorrichtung angesteuert wird.
  • Gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung ist es möglich, zu verhindern, dass eine Überspannung an ein Schaltelement angelegt wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Figuren zeigen eine oder mehrere Implementierungen gemäß der vorliegenden Offenbarung lediglich beispielhaft, nicht einschränkend. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente.
  • 1 ist ein Schaltungsblockdiagramm, das eine Gleichstromversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt; und
  • 2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb einer Umwandlungsschaltung der Gleichstromversorgungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend werden eine Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 und ein Lichtsystem, das die Gleichstromversorgungsvorrichtung verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
  • Die Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform wandelt eine Wechselspannung, die von einer Wechselstromquelle AC1 ausgegeben wird, in eine Gleichspannung um und liefert die umgewandelte Gleichspannung an eine Last (beispielsweise eine Lichtquelle 90). Die Lichtquelle 90 umfasst beispielsweise zwei oder mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Leuchtdioden. Das Lichtsystem gemäß der Ausführungsform enthält die Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 und die Lichtquelle 90. Die Lichtquelle 90 umfasst als ein Beispiel die lichtemittierenden Dioden, ist aber nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. Die Lichtquelle 90 kann beispielsweise ein organisches EL-Element (elektrolumineszentes Element) aufweisen.
  • Wie in 1 gezeigt, enthält die Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 eine Gleichrichterschaltung 3, eine Umwandlungsschaltung 4 und eine Steuerschaltung 5.
  • Die Gleichrichterschaltung 3 enthält eine Diodenbrücke und führt eine Vollwellengleichrichtung für eine Wechselspannung durch, die von der Wechselspannungsquelle AC1 ausgegeben wird. Die Gleichrichterschaltung 3 weist ein Paar Eingangsenden 3A und 3B auf. Die Wechselspannungsquelle AC1 ist elektrisch zwischen die gepaarten Eingangsenden 3A und 3B geschaltet. Die Gleichrichterschaltung 3 weist ferner ein Paar Ausgangsenden 3C und 3D auf. Die gepaarten Ausgangsenden 3C und 3D sind jeweils mit den gepaarten Eingangsenden 4A und 4B der Umwandlungsschaltung 4 elektrisch verbunden.
  • Die Umwandlungsschaltung 4 enthält eine SEPIC-Schaltung, die ein Gleichspannungswandler eines Schaltsteuersystems ist, und wandelt eine pulsierende Spannung von der Gleichrichterschaltung 3 in eine Gleichspannung um. Die Umwandlungsschaltung 4 enthält einen ersten Kondensator C1, eine erste Reihenschaltung 41 (eine erste Induktivität L1 und ein Schaltelement Q1) und eine zweite Reihenschaltung 42 (einen zweiten Kondensator C2 und eine zweite Induktivität L2). Die Umwandlungsschaltung 4 enthält ferner eine dritte Reihenschaltung 43 (eine erste Diode D1 und einen dritten Kondensator C3), eine zweite Diode D2 und eine Zenerdiode ZD. Die Umwandlungsschaltung 4 weist das Paar Eingangsenden 4A und 4B und ein Paar Ausgangsenden 4C und 4D auf.
  • Beide Enden des ersten Kondensators C1 sind jeweils elektrisch mit den gepaarten Eingangsenden 4A und 4B verbunden. Das Schaltelement Q1 ist beispielsweise durch einen MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ausgebildet. Die erste Reihenschaltung 41 enthält die erste Induktivität L1 und das Schaltelement Q1, die miteinander in Reihe geschaltet sind. In der ersten Reihenschaltung 41 ist ein erstes Ende der ersten Induktivität L1 mit einem Drain-Anschluss des Schaltelements Q1 elektrisch verbunden. Ein zweites Ende der ersten Induktivität L1 in der ersten Reihenschaltung 41 ist mit einem ersten Ende auf einer Hochpotentialseite des ersten Kondensators C1 elektrisch verbunden, und ein Source-Anschluss des Schaltelements Q1 in der ersten Reihenschaltung 41 ist elektrisch mit einem zweiten Ende auf einer Niederpotentialseite des ersten Kondensators C1 verbunden. Dadurch wird die erste Reihenschaltung 41 elektrisch parallel zum ersten Kondensator C1 geschaltet. Die zweite Reihenschaltung 42 enthält den zweiten Kondensator C2 und die zweite Induktivität L2, die miteinander in Reihe geschaltet sind. In der zweiten Reihenschaltung 42 ist ein erstes Ende auf der Niederpotentialseite des zweiten Kondensators C2 mit einem ersten Ende der zweiten Induktivität L2 elektrisch verbunden. Ein zweites Ende auf der Hochpotentialseite des zweiten Kondensators C2 in der zweiten Reihenschaltung 42 ist mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements Q1 in der ersten Serienschaltung 41 elektrisch verbunden. Ein zweites Ende der zweiten Induktivität L2 in der zweiten Reihenschaltung 42 ist mit dem Source-Anschluss des Schaltelements Q1 in der ersten Serienschaltung 41 elektrisch verbunden. Dadurch wird die zweite Reihenschaltung 42 elektrisch parallel zum Schaltelement Q1 geschaltet. Die dritte Reihenschaltung 43 enthält die erste Diode D1 und den dritten Kondensator C3, die miteinander in Reihe geschaltet sind. In der dritten Reihenschaltung 43 ist eine Kathode der ersten Diode D1 mit einem ersten Ende auf einer Hochpotentialseite des dritten Kondensators C3 elektrisch verbunden. Eine Anode der ersten Diode D1 in der dritten Reihenschaltung 43 ist mit dem ersten Ende der zweiten Induktivität L2 in der zweiten Reihenschaltung 42 elektrisch verbunden. Ein zweites Ende auf einer Niederpotentialseite des dritten Kondensators C3 in der dritten Reihenschaltung 43 ist mit dem zweiten Ende der zweiten Induktivität L2 in der zweiten Serienschaltung 42 elektrisch verbunden. Entsprechend ist die dritte Reihenschaltung 43 elektrisch mit der zweiten Induktivität L2 parallel geschaltet. Die Lichtquelle 90 ist elektrisch parallel zum dritten Kondensator C3 geschaltet.
  • Eine Kathode der zweiten Diode D2 ist elektrisch mit einem Verbindungspunkt 44 des ersten Endes auf der Hochpotentialseite des ersten Kondensators C1 und des zweiten Endes der ersten Induktivität L1 verbunden. Eine Kathode der Zenerdiode ZD ist elektrisch mit einem Verbindungspunkt 45 des ersten Endes der ersten Induktivität L1 und des zweiten Endes auf der Hochpotentialseite des zweiten Kondensators C2 verbunden. Eine Anode der zweiten Diode D2 und eine Anode der Zenerdiode ZD sind elektrisch miteinander verbunden. Die Zenerdiode ZD weist eine Zenerspannung auf, die größer als eine Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung 4 (d. h. eine Spannung über dem dritten Kondensator C3) ist.
  • Die Steuerschaltung 5 ist konfiguriert, eine Schaltsteuerung durchzuführen, um einen Ausgangsstrom der Umwandlungsschaltung 4 konstant zu halten, indem sie EIN/AUS des Schaltelements Q1 einer PWM (Pulsweitenmodulation) unterzieht. Die Steuerschaltung 5 enthält eine Stromerfassungsschaltung 51, einen Stromerfassungswiderstand 52, eine Arithmetikschaltung 53 und eine Ansteuerschaltung 54. Die Stromerfassungsschaltung 51 ist beispielsweise so konfiguriert, dass sie eine Spannung (im Folgenden als ”Erfassungsspannung” bezeichnet) über dem Stromerfassungswiderstand 52 abtastet, der zwischen einer Kathode der Lichtquelle 90 und dem Ausgangsende 4D der Umwandlungsschaltung 4 angeordnet ist, so dass jene elektrisch in Reihe geschaltet sind, und dann eine A/D-Wandlung für die abgetastete Spannung durchführt. Die arithmetische Schaltung 53 führt eine Rechenoperation zum Ändern eines Tastverhältnisses eines PWM-Signals durch, so dass die von der Stromerfassungsschaltung 51 erfasste Erfassungsspannung (ein digitaler Erfassungswert) mit einem vorgeschriebenen Sollwert übereinstimmt. Insbesondere verlängert die arithmetische Schaltung 53 eine EIN-Periode, während der sich das Schaltelement Q1 in einem EIN-Zustand befindet, wenn der digitale Erfassungswert kleiner als der vorgeschriebene Zielwert ist, verringert jedoch die EIN-Periode, wenn der digitale Erfassungswert größer als der vorgegebenen Sollwert ist. Die Ansteuerschaltung 54 schaltet das Schaltelement Q1 entsprechend dem von der Arithmetikschaltung 53 ausgegebenen PWM-Signal ein oder aus.
  • Nachstehend wird der Betrieb der Umwandlungsschaltung 4 beschrieben.
  • Wenn das Schaltelement Q1 von einem AUS-Zustand in den EIN-Zustand geschaltet wird, fließt elektrischer Strom durch einen Pfad, der den ersten Kondensator C1, die erste Induktivität L1, das Schaltelement Q1 und den ersten Kondensator C1 in dieser Reihenfolge enthält. Wenn ferner das Schaltelement Q1 von dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand geschaltet wird, fließt elektrischer Strom durch einen Pfad, der den zweiten Kondensator C2, das Schaltelement Q1, die zweite Induktivität L2 und den zweiten Kondensator C2 in dieser Reihenfolge enthält. Daher wird, während sich das Schaltelement Q1 im EIN-Zustand befindet, magnetische Energie in der ersten Induktivität L1 und der zweiten Induktivität L2 akkumuliert.
  • Wenn das Schaltelement Q1 von dem EIN-Zustand in den AUS-Zustand geschaltet wird, wird eine elektromotorische Kraft in der ersten Induktivität L1 erzeugt. Dementsprechend fließt elektrischer Strom durch einen Pfad, der die erste Induktivität L1, den zweiten Kondensator C2, die erste Diode D1, den dritten Kondensator C3, den ersten Kondensator C1 und die erste Induktivität L1 in dieser Reihenfolge enthält. Wenn ferner das Schaltelement Q1 von dem EIN-Zustand in den AUS-Zustand geschaltet wird, wird auch in der zweiten Induktivität L2 eine elektromotorische Kraft erzeugt. Infolgedessen fließt elektrischer Strom durch einen Pfad, der die zweite Induktivität L2, die erste Diode D1, den dritten Kondensator C3 und die zweite Induktivität L2 in dieser Reihenfolge enthält. Daher werden der zweite Kondensator C2 und der dritte Kondensator C3 geladen, und ein Gleichstrom kann an die Lichtquelle 90 ausgegeben werden, wenn eine Spannung über dem dritten Kondensator C3 gleich oder größer als eine vorgeschriebene Schwellenspannung (eine Durchlassspannung der Lichtquelle 90) ist.
  • Hier umfasst die Umwandlungsschaltung 4 eine LC-Resonanzschaltung, und nach Beginn der Stromzufuhr von der Wechselstromquelle AC1 wird die LC-Resonanzschaltung durch den ersten Kondensator C1, die erste Induktivität L1, den zweiten Kondensator C2 und die zweite Induktivität L2 gebildet, wie in 1 gezeigt. Wie im Stand der Technik beschrieben, kann nach Beginn der Stromzufuhr von der Wechselstromquelle AC1 ein Resonanzstrom während eines Zeitraums bis zum Start des Schaltvorgangs des Schaltelements Q1 durch die Steuerschaltung 5 durch den LC-Resonanzkreis fließen. Weiterhin ist das Schaltelement Q1 parallel zu dem ersten Kondensator C1 und der ersten Induktivität L1 und ferner parallel zu der zweiten Reihenschaltung 42 mit dem zweiten Kondensator C2 und der zweiten Induktivität L2 geschaltet. Dementsprechend kann bei der herkömmlichen Gleichstromversorgungsvorrichtung durch den Resonanzstrom, der durch den LC-Resonanzkreis fließt, eine Überschussspannung an das Schaltelement Q1 angelegt werden.
  • Andererseits ist in der Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 die Zenerdiode ZD elektrisch parallel zur ersten Induktivität L1 geschaltet. Aus diesem Grund wird eine in der ersten Induktivität L1 erzeugte Resonanzspannung auf eine Zenerspannung VZD der Zenerdiode ZD geklemmt, und daher wird keine Spannung größer als die Zenerspannung VZD über die erste Induktivität L1 angelegt. Selbst wenn der Resonanzstrom durch die LC-Resonanzschaltung fließt, ist es somit möglich, eine über der ersten Induktivität L1 erzeugte Spannung im Vergleich zu einer Schaltungsanordnung zu reduzieren, in der die Zenerdiode ZD nicht vorgesehen ist. Dementsprechend ist es möglich, eine Spannung zu reduzieren, die zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des Schaltelements Q1 anzulegen ist, das in Serie mit der ersten Induktivität L1 geschaltet ist, und zu verhindern, dass die Überschussspannung an das Schaltelement Q1 angelegt wird.
  • Da in der Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 die Kathode der zweiten Diode D2 elektrisch mit dem Verbindungspunkt 44 verbunden ist, kann verhindert werden, dass ein Überstrom durch die Lichtquelle 90 fließt, auch wenn eine Blitzstoßspannung an die Wechselspannung der Wechselspannungsquelle AC1 angelegt wird.
  • In einem Zustand, in dem die Steuerschaltung 5 den Schaltvorgang des Schaltelements Q1 durchführt, während das Schaltelement Q1 im AUS-Zustand ist, ist folgende Formel (1) hinsichtlich einer Spannung über der ersten Induktivität L1 erfüllt. In Formel (1) bezeichnet ”VL1” die Spannung über der ersten Induktivität L1, und ”Vin” bezeichnet eine Eingangsspannung der Umwandlungsschaltung 4. Außerdem bezeichnet in Formel (1) ”VC2” eine Spannung über der zweiten Induktivität C2, und ”Vout” bezeichnet eine Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung 4.
  • [Mathematisch 1]
    • VL1 = Vin – VC2 – Vout Formel (1)
  • Die Spannung VC2 über dem zweiten Kondensator C2 weist zusätzlich zur Eingangsspannung Vin der Umwandlungsschaltung 4 eine Variationsbreite auf. Dementsprechend wird folgende Formel (2) hinsichtlich der Spannung VC2 über dem zweiten Kondensator C2 erfüllt. Es sei angemerkt, dass ”ΔVC2” die Variationsbreite der Spannung VC2 über dem zweiten Kondensator C2 bezeichnet.
  • [Mathematisch 2]
    • VC2 = Vin + ΔVC2 Formel (2)
  • Folgende Formel (3) wird durch Ersetzen der Spannung VC2 in Formel (2) durch Formel (1) erfüllt.
  • [Mathematisch 3]
    • VL1 = –(ΔVC2 + Vout) Formel (3)
  • Hierbei muss in der Umwandlungsschaltung 4 eine Zenerspannung der Zenerdiode ZD größer eingestellt werden als der Absolutwert der Spannung über der ersten Induktivität L1, um das Schaltelement Q1 normal zu betreiben. Infolgedessen enthält die Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 vorzugsweise die Zenerdiode ZD mit einer Zenerspannung, bei der eine Bedingung wie die folgende Formel (4) erfüllt ist. Es sei angemerkt, dass in Formel (4) ”VZD” die Zenerspannung der Zenerdiode ZD bezeichnet.
  • [Mathematisch 4]
    • VZD > ΔVC2 + Vout Formel (4)
  • Daher wird, solange die Zenerspannung VZD die Formel (4) erfüllt, eine über der ersten Induktivität L1 angelegte normale Spannung nicht durch die Zenerdiode ZD geklemmt, was den Betrieb der Umwandlungsschaltung 4 stabilisieren kann.
  • Auch folgende Formel (5) wird hinsichtlich der Variationsbreite ΔVC2 der Spannung VC2 über dem zweiten Kondensator C2 erfüllt.
  • [Mathematisch 5]
    • ΔVC2 = 1 / C₂·∫IC2dt = 1 / C₂∫IL1dt Formel (5)
  • Es sei angemerkt, dass ”C2” eine Kapazität des zweiten Kondensators C2, ”IC2” den durch den zweiten Kondensator C2 fließenden Strom und ”IL1” den durch die erste Induktivität L1 fließenden Strom bezeichnet.
  • Der integrale Ausdruck in Formel (5) stellt einen integrierten Wert des Stroms dar, der durch die erste Induktivität L1 fließt, während die erste Diode D1 im EIN ist (d. h. während die erste Diode D1 in Durchlassrichtung vorgespannt ist), und er entspricht einem schattierten Bereich In 2. In 2 stellt die vertikale Achse einen Stromwert dar, und die horizontale Achse ist eine Zeitachse. In 2 bezeichnet ”Ipp1” eine Variationsbreite des Stroms IL1 der durch die erste Induktivität L1 fließt, und ”Ib” bezeichnet einen Minimalwert des Stroms IL1, der durch die erste Induktivität L1 fließt. ”Ton” bezeichnet die EIN-Periode, während der das Schaltelement Q1 eingeschaltet ist und ”T'off” bezeichnet eine EIN-Periode, während der die erste Diode D1 eingeschaltet ist (d. h. während der die erste Diode D1 in Durchlassrichtung vorgespannt ist). Dementsprechend kann die Variationsbreite ΔVC2 der Spannung VC2 über dem zweiten Kondensator C2 durch folgende Formel (6) berechnet werden. [Mathematisch 6]
    Figure DE102017100427A1_0002
  • Die EIN-Periode Ton des Schaltelements Q1 kann durch folgende Formel (7) berechnet werden. [Mathematisch 7]
    Figure DE102017100427A1_0003
  • In diesem Fall bezeichnet ”Vf” eine Durchlassspannung der Lichtquelle 90 und ”If” bezeichnet einen Durchlassstrom, der durch die Lichtquelle 90 fließt. Ferner bezeichnet ”L//” eine kombinierte Impedanz der ersten Induktivität L1 und der zweiten Induktivität L2, und ”Vac” bezeichnet eine Wechselspannung, die von der Wechselstromquelle AC1 ausgegeben wird. ”T” bezeichnet eine Periode des Schaltelements Q1, das EIN/AUS schaltet. Die EIN-Periode T'off der ersten Diode D1 kann durch folgende Formel (8) berechnet werden. [Mathematisch 8]
    Figure DE102017100427A1_0004
  • Der Minimalwert Ib des Ausgangsstroms der ersten Induktivität L1 kann durch folgende Formel (9) berechnet werden. [Mathematisch 9]
    Figure DE102017100427A1_0005
  • In diesem Fall bezeichnet ”L1” eine Impedanz der ersten Induktivität L1, und ”L2” bezeichnet eine Impedanz der zweiten Induktivität L2.
  • Die Variationsbreite Ipp1 des Stroms, der durch die erste Induktivität L1 fließt, kann durch folgende Formel (10) berechnet werden. [Mathematisch 10]
    Figure DE102017100427A1_0006
  • Dabei waren die konkreten Einstellwerte für die Schaltkreiskomponenten des SEPIC wie folgt: C1 = 0.1 [μF], C2 = 0.068 [μF], L1 = 1600 [μH], und L2 = 455 [μH]. Die konkreten Einstellwerte der Eingangsspannung Vin, der Ausgangsspannung Vout und des Ausgangsstroms Iout der Umwandlungsschaltung 4 waren wie folgt: Vin = 242 [V], Vout = 66.5 [V] und Iout = 269 [mA]. Ein konkreter Einstellwert der Periode T des Schaltelements Q1, das EIN/AUS schaltet, war wie folgt: T = 16,66 [μs].
  • ”Ton = 1,9 [μs]” kann durch Einsetzen der oben genannten Einstellwerte für Vout, Iout, L1, L2, T und Vac in Formel (7) erhalten werden, und ”T'off = 9,8 [μs]” kann durch Einsetzen der oben erwähnten Einstellwerte für Vac, Vout, Iout, L1, L2 und T in Formel (8) erhalten werden. ”Ib = –37,7 [mA]” kann durch Einsetzen der oben genannten Einstellwerte für Vin, Vout, L1, L2, Ton und T in Formel (9) erhalten werden. ”Ipp1 = 406,2 [mA]” kann erhalten werden, wenn die Eingangsspannung Vin der Umwandlungsschaltung 4 auf einem Spitzenwert liegt, indem die oben erwähnten Einstellwerte für Vin, Vout, L1, Ton und T'off in Formel (10) eingesetzt werden. ”ΔVC2 = 23,8 [V]” kann erhalten werden, indem der oben genannte Einstellwert von C2 und die für Ib, Ipp1 und T'off erhaltenen Werte in Formel (6) eingesetzt werden. ”VZD > 66,5 [V] + 23,8 [V] = 90,3 [V]” kann erhalten werden, indem der für ΔVC2 erhaltene Wert in Formel (4) eingesetzt wird. Daher enthält die Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 vorzugsweise die Zenerdiode ZD mit der Zenerspannung VZD größer oder gleich 90,3 [V], und besser noch ist die Zenerspannung VZD fast 1,5 Mal so hoch wie die an die Lichtquelle 90 anzulegende Spannung unter Gesichtspunkten der Herstellungskosten. Dementsprechend kann in der Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 der Betrieb stabilisiert werden, ohne dass die über die erste Induktivität L1 angelegte normale Spannung durch die Zenerdiode ZD geklemmt wird.
  • Wie aus der oben beschriebenen Ausführungsform ersichtlich, weist eine Gleichstromversorgungsvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Gleichrichterschaltung (3), eine Umwandlungsschaltung (4) und eine Steuerschaltung (5) auf. Die Gleichrichterschaltung (3) ist konfiguriert, eine Wechselspannung gleichzurichten, die von einer Wechselstromquelle (AC1) ausgegeben wird. Die Umwandlungsschaltung (4) ist konfiguriert, eine pulsierende Spannung von der Gleichrichterschaltung (3) in eine Gleichspannung umzuwandeln. Die Steuerschaltung (5) ist konfiguriert, die Umwandlungsschaltung (4) zu steuern. Die Umwandlungsschaltung (4) enthält einen ersten Kondensator (C1), eine erste Serienschaltung (41), eine zweite Serienschaltung (42), eine dritte Serienschaltung (43), eine zweite Diode (D2) und eine Zenerdiode (ZD). Die erste Reihenschaltung (41) enthält eine erste Induktivität (L1) und ein Schaltelement (Q1), die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die zweite Reihenschaltung (42) enthält einen zweiten Kondensator (C2) und eine zweite Induktivität (L2), die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die dritte Reihenschaltung (43) enthält einen erste Diode (D1) und einen dritten Kondensator (C3), die miteinander in Reihe geschaltet sind. Der erste Kondensator (C1) ist mit einem Paar Ausgangsenden (3C, 3D) der Gleichrichterschaltung (3) elektrisch verbunden. Die erste Reihenschaltung (41) ist elektrisch zwischen die beiden Enden des ersten Kondensators (C1) geschaltet. Die zweite Reihenschaltung (42) ist elektrisch mit dem Schaltelement (Q1) parallel geschaltet. Die dritte Reihenschaltung (43) ist elektrisch mit der zweiten Induktivität (L2) parallel geschaltet. Die Steuerschaltung (5) ist konfiguriert, eine Schaltsteuerung für das Schaltelement (Q1) durchzuführen. Die zweite Diode (D2) hat: eine Anode; und eine Kathode, die mit einem Verbindungspunkt (44) des ersten Kondensators (C1) und der ersten Induktivität (L1) verbunden ist. Die Zenerdiode (ZD) hat: eine Anode; und eine Kathode, die mit einem Verbindungspunkt (45) der ersten Induktivität (L1) und des zweiten Kondensators (C2) verbunden ist. Die Anode der zweiten Diode (D2) und die Anode der Zenerdiode (ZD) sind elektrisch miteinander verbunden. Die Zenerdiode (ZD) weist eine Zenerspannung auf, die größer als eine Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) ist.
  • Da die Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) gemäß dem ersten Aspekt wie oben konfiguriert ist, wird die in der ersten Induktivität (L1) erzeugte Resonanzspannung durch die Zenerdiode (ZD) geklemmt, und daher wird keine Spannung größer als die Zenerspannung über der erste Induktivität (L1) angelegt. Selbst wenn der Resonanzstrom durch die LC-Resonanzschaltung fließt, ist es somit möglich, eine über der ersten Induktivität (L1) erzeugte Spannung im Vergleich zu einer Schaltungsanordnung zu reduzieren, in der die Zenerdiode (ZD) nicht vorgesehen ist. Dementsprechend ist es möglich, eine Spannung zu reduzieren, die zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des Schaltelements (Q1) anzulegen ist, das in Serie mit der ersten Induktivität (L1) geschaltet ist, was verhindern kann, dass die Überschussspannung an das Schaltelement (Q1) angelegt wird.
  • Hinsichtlich einer Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem ersten Aspekt die Zenerspannung vorzugsweise 1,5 oder mehr mal so groß wie die Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4).
  • Falls die Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) gemäß dem zweiten Aspekt wie oben konfiguriert ist, kann der Betrieb stabilisiert werden, ohne dass die über der ersten Induktivität (L1) angelegte normale Spannung durch die Zenerdiode (ZD) geklemmt wird.
  • Hinsichtlich einer Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem ersten Aspekt die Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) vorzugsweise durch eine Spannung über dem dritten Kondensator (C3) dargestellt.
  • Hinsichtlich einer Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem ersten Aspekt die Steuerschaltung (5) vorzugsweise konfiguriert, eine Schaltsteuerung für das Schaltelement (Q1) durchzuführen, um eine Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) konstant zu halten.
  • Ein Lichtsystem gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält: die Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Aspekte eins bis vier; und eine Lichtquelle (90), die so konfiguriert ist, dass sie durch die Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) der Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) angesteuert wird. Nach dieser Konfiguration ist es möglich, das Beleuchtungssystem einschließlich der Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) bereitzustellen, was verhindern kann, dass die überschüssige Spannung an das Schaltelement (Q1) angelegt wird.
  • Hinsichtlich einer Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem fünften Aspekt die Lichtquelle (90) vorzugsweise mit dem dritten Kondensator (C3) parallel geschaltet.
  • Hinsichtlich eines Lichtsystems gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem fünften Aspekt die Steuerschaltung (5) vorzugsweise konfiguriert, eine Schaltsteuerung für das Schaltelement (Q1) durchzuführen, um einen Ausgangsstrom, der der Lichtquelle (90) bereitgestellt wird, konstant zu halten.
  • Hinsichtlich eines Lichtsystems (1) gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Lichtquelle (90) in dem fünften Aspekt vorzugsweise zumindest eine LED oder ein EL-Element.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gleichstromversorgungsvorrichtung
    3
    Gleichrichterschaltung
    3C, 3D
    Ausgangsende
    4
    Umwandlungsschaltung
    5
    Steuerschaltung
    41
    Erste Reihenschaltung
    42
    Zweite Reihenschaltung
    43
    Dritte Reihenschaltung
    44
    Verbindungspunkt
    45
    Verbindungspunkt
    C1
    Erster Kondensator
    C2
    Zweiter Kondensator
    C3
    Dritter Kondensator
    D1
    Erste Diode
    D2
    Zweite Diode
    L1
    Erste Induktivität
    L2
    Zweite Induktivität
    Q1
    Schaltelement
    ZD
    Zenerdiode
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2011-82204 A [0002]

Claims (8)

  1. Eine Gleichstromversorgungsvorrichtung (1), umfassend: eine Gleichrichterschaltung (3), die konfiguriert ist, eine Wechselspannung gleichzurichten, die von einer Wechselstromquelle (AC1) ausgegeben wird; eine Umwandlungsschaltung (4), die konfiguriert ist, eine pulsierende Spannung von der Gleichrichterschaltung (3) in eine Gleichspannung umzuwandeln; und eine Steuerschaltung (5), die konfiguriert ist, die Umwandlungsschaltung (4) zu steuern, wobei die Umwandlungsschaltung (4) umfasst: einen ersten Kondensator (C1); eine erste Reihenschaltung (41), die eine erste Induktivität (L1) und ein Schaltelement (Q1) enthält, die miteinander in Reihe geschaltet sind; eine zweite Reihenschaltung (42), die einen zweiten Kondensator (C2) und eine zweite Induktivität (L2) enthält, die miteinander in Reihe geschaltet sind; eine dritte Reihenschaltung (43), die eine erste Diode (D1) und einen dritten Kondensator (C3) enthält, die miteinander in Reihe geschaltet sind; eine zweite Diode (D2); und eine Zenerdiode (ZD), wobei der erste Kondensator (C1) elektrisch mit einem Paar Ausgangsenden (3C, 3D) der Gleichrichterschaltung (3) verbunden ist, die erste Reihenschaltung (41) elektrisch zwischen beide Enden des ersten Kondensators (C1) geschaltet ist, die zweite Reihenschaltung (42) elektrisch mit dem Schaltelement (Q1) parallel geschaltet ist und die dritte Reihenschaltung (43) elektrisch mit der zweiten Induktivität (L2) parallel geschaltet ist, wobei die Steuerschaltung (5) konfiguriert ist, eine Schaltsteuerung für das Schaltelement (Q1) durchzuführen, wobei die zweite Diode (D2) aufweist: eine Anode; und eine Kathode, die mit einem Verbindungspunkt (44) des ersten Kondensators (C1) und der ersten Induktivität (L1) verbunden ist, die Zenerdiode (ZD) aufweisend: eine Anode; und eine Kathode, die mit einem Verbindungspunkt (45) der ersten Induktivität (L1) und des zweiten Kondensators (C2) verbunden ist, wobei die Anode der zweiten Diode (D2) und die Anode der Zenerdiode (ZD) elektrisch miteinander verbunden sind, und die Zenerdiode (ZD) eine Zenerspannung aufweist, die größer als eine Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) ist.
  2. Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Zenerspannung vorzugsweise 1,5 oder mehr mal so groß wie die Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) ist.
  3. Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) durch eine Spannung über dem dritten Kondensator (C3) dargestellt ist.
  4. Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (5) konfiguriert ist, eine Schaltsteuerung für das Schaltelement (Q1) durchzuführen, um eine Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) konstant zu halten.
  5. Lichtsystem, umfassend: die Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und eine Lichtquelle (90), die so konfiguriert ist, dass sie durch die Ausgangsspannung der Umwandlungsschaltung (4) der Gleichstromversorgungsvorrichtung (1) angesteuert wird.
  6. Lichtsystem nach Anspruch 5, wobei die Lichtquelle (90) mit dem dritten Kondensator (C3) parallel geschaltet ist.
  7. Lichtsystem nach Anspruch 5, wobei die Steuerschaltung (5) konfiguriert ist, eine Schaltsteuerung für das Schaltelement (Q1) durchzuführen, um einen Ausgangsstrom, der der Lichtquelle (90) bereitgestellt wird, konstant zu halten.
  8. Lichtsystem nach Anspruch 5, wobei die Lichtquelle (90) zumindest eine LED oder ein EL-Element umfasst.
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