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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung zum Betreiben mehrerer, in einem Modul verbauter, als Halbleiterbauelemente realisierte Lichtquellen etwa LEDs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben mehrerer, als Halbleiterbauelemente realisierte Lichtquellen.
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Als Halbleiterbauelemente realisierte Lichtquellen sind beispielsweise LEDs. Derartige Halbleiterbauelemente weisen in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen, insbesondere Temperatureinflüssen, eine U/l-Kennlinie auf. Diese ist für LEDs so geartet, dass in Abhängigkeit von den äußeren Einflüssen bereits bei kleinen Veränderungen der an einem solchen Halbleiterbauelement anliegenden Spannung relativ große Veränderungen in den Strömen, bedingt durch eine durchweg positive Kennliniensteigerung erzeugt werden. Dieses hat Einfluss auf die eingebrachte elektrische Leistung. Insofern können bereits kleine Veränderungen in der anliegenden Spannung große Veränderungen der abgegebenen Lichtmenge hervorrufen. Für Beleuchtungszwecke werden LEDs oftmals in Baugruppen eingesetzt, um den gewünschten Lichtstrom erzeugen zu können. Derartige LEDs können in Reihe oder auch parallel geschaltet sein. Zur Stromerzeugung werden typischerweise aktiv geregelte Stromsenken oder aktiv geregelte Stromquellen, wie beispielsweise solche, die als Stromspiegel ausgelegt sind, betrieben. Eingesetzt werden auch spannungsgesteuerte Stromquellen mit Bipolar-Transistoren. Diese vorbekannten Lichtquellenanordnungen kommen an ihre Grenzen, wenn eine größere Anzahl kleinerer LEDs in einer einzigen Lichtquelle vereint werden. Die vorbeschriebene Stromversorgung ist ausgelegt, damit diese den SELV-Kriterien genügt, mithin Spannungen von maximal 60 V zugelassen sind. Um eine Vielzahl von kleineren LEDs, vereint in einer einzigen Lichtquelle, mit der notwendigen Spannung zu versorgen, wäre es bei einer Reihenschaltung der LEDs erforderlich, Spannungen einzusetzen, die deutlich höher als 60 V sind. Dieses ist zwar möglich, jedoch muss dann ein höherer Isolationsaufwand in Bezug auf die elektrischen Leitungen vorgenommen werden. Durch die Reihenschaltung einer größeren Anzahl an LEDs werden deren individuelle Kennlinienstreuungen egalisiert, sodass das Leuchtmittel auch bei der großen Anzahl verwendeter Einzellichtquellen über seine gesamte Lichtabgabefläche homogen Licht abgibt. Nachteilig ist bei einer solchen Reihenschaltung naturgemäß, dass bei Ausfall einer einzigen LED das gesamte Leuchtmittel stromlos und somit ausfallen würde.
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Um die Nachteile einer solchen Reihenschaltung zu vermeiden sind Parallel-/Reihenschaltungen von LEDs entwickelt worden. In Kauf genommen wird hierbei, dass größere Schwankungen in den LEDs durch zusätzliche Schaltungen kompensiert werden. Auch für solche LED-Arrays werden Transistorstromspiegel zur Angleichung der LED-Ströme eingesetzt. Diese haben jedoch den Nachteil, dass diese hohen Spannungsverluste und dadurch nur einen verschlechterten Wirkungsgrad eines solchen aus mehreren oder einer Vielzahl von LEDs aufgebauten Leuchtmittel haben.
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US 2012/0286753 A1 offenbart eine elektronische Schaltungsanordnung mehrerer Schaltkreise mit LEDs, die zur Stromangleichung der unterschiedlichen Regelkreise mit einem Referenzkreis ausgelegt ist. Für die Angleichung der LED-Ströme werden Transistorstromspiegel eingesetzt.
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US 2010/0283396 A1 offenbart ein Lichtquellensystem inklusive eines Schaltkreises zur Helligkeitsbalancierung unter Verwendung eines Operationsverstärkers, zweier Transistoren und zweier Kondensatoren.
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DE 10 2004 008 896 A1 offenbart ein Verfahren und einen Apparat zur Steuerung von Leuchtdioden. In dieser Leuchtdioden-Schaltung wird eine Vielzahl von in einer Hybrid-Parallel-Reihenschaltungskonfiguration verbundenen Leuchtdioden und eine Stromregulierungsschaltung zur Herstellung eines homogenen Strompegels verwendet.
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Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltungsanordnung zum Betreiben mehrerer, als Halbleiterbauelemente realisierte Lichtquellen vorzuschlagen, mit der nicht nur eine Angleichung der LED-Ströme möglich ist, sondern mit der auch ein Wirkungsgradverlust signifikant reduziert ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben mehrerer, als Halbleiterbauelemente realisierte Lichtquellen mit den zu der Schaltungsanordnung genannten Zielen vorzuschlagen.
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Die schaltungsanordnungsbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Schaltungsanordnung zum Betreiben mehrerer, in einem Modul verbauter, als Halbleiterbauelemente realisierte Lichtquellen mittels einer mit einem Operationsverstärker aufgebauten Stromspiegelschaltung, umfassend einen Referenzzweig sowie mehrere, jeweils eine Lichtquelle oder eine Lichtquellenanordnung und jeweils ein Halbleiterschaltelement als Stromsteller aufweisende Regelzweige, wobei der Operationsverstärker ausgelegt ist, einen Spannungsabfall im Referenzzweig zu erfassen und in Abhängigkeit von dem erfassten Spannungsabfall die Halbleiterschaltelemente der Regelzweige derart anzusteuern, damit sich in diesen derselbe Spannungsabfall ergibt, und wobei in dem Referenzzweig ebenfalls eine Lichtquelle oder eine Lichtquellenanordnung und ein einen definierten Spannungsverlust erzeugendes Bauelement eingeschaltet sind, wobei der Spannungsabfall im Referenzzweig größer ist als der Spannungsabfall in dem Regelzweig mit der größten Flussspannung der Lichtquelle bzw. Lichtquellenanordnung bei durchgesteuertem Halbleiterschaltelement.
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Die verfahrensbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben mehrerer, als Halbleiterbauelemente realisierte Lichtquellen mittels einer mit einem Operationsverstärker aufgebauten Stromspiegelschaltung, umfassend einen Referenzzweig und mehrere, jeweils eine Lichtquelle oder eine Lichtquellenanordnung sowie jeweils ein Halbleiterschaltelement als Stromstellen aufweisende Regelzweige, bei welchem Verfahren im Referenzzweig durch Einschalten einer als Halbleiterbauelement ausgeführten Lichtquelle oder einer solchen Lichtquellenanordnung und eines einen definierten Spannungsverlust erzeugenden Bauteils ein Spannungsabfall erzeugt wird, der größer ist als der Spannungsabfall in dem Regelzweig mit der größten Flussspannung der Lichtquelle bzw. Lichtquellenanordnung bei durchgeschaltetem Halbleiterschaltelement, und bei welchem Verfahren der Operationsverstärker den Spannungsabfall in dem Referenzzweig mit demjenigen zumindest eines Regelzweiges vergleicht und die Halbleiterschaltelemente aller Regelzweige derart ansteuert, dass die Spannungsabfälle im Referenzzweig und in den Regelzweigen gleich sind.
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Bei dieser Schaltungsanordnung - Gleiches gilt auch für das beanspruchte Verfahren - wird eine mit einem Operationsverstärker aufgebaute Stromspiegelschaltung eingesetzt. Der Operationsverstärker vergleicht den Spannungsabfall auf dem Referenzzweig mit demjenigen zumindest eines Regelzweiges. Typischerweise wird der Spannungsabfall nur mit demjenigen eines Regelzweiges verglichen. Hierzu wählt man denjenigen, der den größten Spannungsabfall bei durchgeschaltetem Halbleiterschaltelement aufweist. In Abhängigkeit von dem im Referenzzweig erfassten Spannungsabfall werden durch den Operationsverstärker die Halbleiterschaltelemente aller Regelzweige beeinflusst, damit die Spannungsabfälle in dem Referenzzweig und den Regelzweigen gleich sind. Von Besonderheit bei dem erfindungsgemäßen Konzept ist, dass in dem Referenzzweig neben einer Lichtquelle oder Lichtquellenanordnung, wie diese in den Regelzweigen verbaut sind, ein zusätzliches Spannungsverlustbauelement eingeschaltet ist. Erreicht wird hierdurch, dass der Spannungsabfall im Referenzzweig größer ist als der Spannungsabfall in dem Regelzweig mit der größten Flussspannung der Lichtquelle bzw. Lichtquellenanordnung bei durchgesteuertem Halbleiterschaltelement - typischerweise dem Vergleichsregelzweig. Um dieses zu erreichen braucht der zusätzliche Spannungsabfall im Referenzzweig nicht sonderlich groß zu sein. Insofern ist diese Stromspiegelschaltung durch den zusätzlichen Spannungsabfall im Referenzzweig vorgespannt. Bewirkt wird hiermit, dass das Halbleiterschaltelement seinen Arbeitspunkt im Sättigungsbereich oder zumindest nahe seinem Sättigungsbereich hat. Hierdurch sind Spannungsverluste minimiert mit der Folge, dass auch eine Vielzahl von kleineren LEDs aufgrund der geringeren Verlustspannung und dem dadurch nur wenig verringerten Wirkungsgrad mit einer signifikant geringeren Spannung als herkömmlich betrieben werden kann, und zwar bei gleicher Lichtausbeute. Insofern wird bei diesem Konzept der Weg beschritten, einen definierten Spannungsverlust in Kauf zu nehmen, welcher Spannungsverlust signifikant kleiner ist als der ansonsten in Kauf zu nehmende, um insgesamt die Verlustleistung zu reduzieren. Interessant ist, dass durch diesen definierten Spannungsabfall im Referenzzweig die Gesamtverlustleistung deutlich geringer ist als ohne ein solches Spannungsverlustbauelement. Normalerweise würde man bei einem solchen Schritt erwarten, dass sich die Verlustleistungen addieren, hierdurch sich die Gesamtverlustleistung jedoch nicht reduziert.
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Vorzugsweise werden als Halbleiterschaltelemente Bipolar-Transistoren eingesetzt. Auch wenn grundsätzlich der Einsatz eines geregelten Spannungsverlustbauelementes möglich ist, wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Schottky-Diode als Spannungsverlustbauteil verwendet. Eine Schottky-Diode erzeugt im Vergleich zu Siliziumdioden eine wesentlich geringere Flussspannung. Zudem handelt es sich hierbei um ein passives Bauelement, mit dem die Schaltungsanordnung stabil betrieben werden kann. Zudem ist der Aufbau der Schaltungsanordnung durch den zusätzlichen Einsatz einer Schottky-Diode nicht nennenswert verteuert.
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Als Halbleiterbauelemente für die Lichtquellen sind typischerweise LEDs vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende 1 beschrieben. Die dargestellte elektronische Schaltungsanordnung 1 ist als Stromspiegelschaltung ausgelegt und verfügt über einen Referenzzweig 2 und mehrere Regelzweige 3, 3.1, 3.n. Eine solche Schaltungsanordnung kann quasi eine beliebige Anzahl an Regelzweigen aufweisen. Typischerweise wird man bei einem Modul 10 bis 20 Regelzweige verbauen. Die Regelzweige 3, 3.1, 3.n beinhalten bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine LED 4, 4.1, 4.n, einen Bipolar-Transistor 5, 5.1, 5.n sowie einen Widerstand 6, 6.1, 6.n. Die Eingänge der Regelzweige 3, 3.1, 3.n sind an eine Stromversorgung 7 angeschlossen. Der Spannungsabfall in jedem Regelzweig 3, 3.1, 3.n erfolgt gegen Masse 8. Eine Stromquelle 9 dient der Stromversorgung der Schaltungsanordnung 1.
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Der Referenzzweig 2 verfügt ebenfalls über eine LED 10. Diese entspricht hinsichtlich ihrer Flussspannung den LEDs 4, 4.1, 4.n der Regelzweige 3, 3.1, 3.n. Ebenfalls ist in den Referenzzweig ein Widerstand 11 eingeschaltet. Dieser entspricht den Widerständen 6, 6.1, 6.n der Regelzweige 3, 3.1, 3.n. Zusätzlich ist in den Referenzzweig 2 als Spannungsverlustbauteil eine Schottky-Diode 12 eingeschaltet. Diese weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Verlustspannung von 0,2 V auf. Die Verlustspannung beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Referenzzweig 0,25 V.
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Der Referenzzweig 2 ist an den nicht-invertierender Eingang 13 eines Operationsverstärkers 14 angeschlossen. An den invertierenden Eingang 15 ist der Regelzweig 3 angeschlossen. Der Spannungsabfall in den Regelkreisen 3, 3.1, 3.n ist bei durchgeschalteten Bipolar-Transistoren 5, 5.1, 5.n gleich groß. Daher ist es bei diesem Ausführungsbeispiel unerheblich, welcher Regelzweig 3, 3.1, 3.n der Vergleichsregelzweig ist. Ist der Spannungsabfall bei durchgeschaltetem Halbleiterschaltelement in den Regelzweigen 3, 3.1, 3.n unterschiedlich, wird man als Vergleichsregelzweig denjenigen einsetzen, der den größten Spannungsabfall aufweist. Der Ausgang 16 des Operationsverstärkers ist an den Basisanschluss 17 der Transistoren 5, 5.1, 5.n der Regelzweige 3, 3.1, 3.n angeschlossen. Der Basisanschluss 17 ist nur an den Regelzweig 3 mit diesem Bezugszeichen kenntlich gemacht. Aufgrund der vorbeschriebenen Auslegung des Referenzzweiges 2 und des Regelzweiges 3 ist der Spannungsabfall im Referenzzweig 2 größer als in dem Regelzweig 3. Die zu vergleichenden Zweige sind daher bzgl. ihres Spannungsabfalls unsymmetrisch ausgelegt. Dadurch ist sichergestellt, dass der Operationsverstärker 14 aktiv eine Ausregelung vornehmen kann, und zwar dergestalt, dass der Arbeitspunkt der Bipolar-Transistoren 5, 5.1, 5.n der Regelzweige 3, 3.1, 3.n stark in den Bereich der Sättigung gebracht ist.
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Der Operationsverstärker 14 ist, wie aus der 1 erkennbar, unmittelbar aus der sich über dem Modul der Schaltungsanordnung 1 aufbauenden Spannung versorgt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich an die Stromversorgung 7 ein Kondensator 18 angeschlossen. Dieser dient zur Pufferung der Versorgungsspannung. Der Kondensator 18 wird bei einer Beaufschlagung der Stromversorgung 7 mit einer PWM-modulierten Spannung benötigt, um sicherzustellen, dass auch in den Tastlücken noch hinreichend Spannung zur Versorgung des Operationsverstärkers 14 zur Verfügung steht. Der Kondensator 18 wird auch genutzt, um im Moment der ansteigenden Flanke der PWM ein zu starkes Überschwingen der Spannung am Modul und einen zusätzlichen Stromstoß in der LED 10 des Referenzzweiges 2 zu verhindern. Diese LED 10 ist im Unterschied zu den LEDs 4, 4.1, 4.n in den Regelzweigen 3, 3.1, 3.n nicht geregelt und würde bei zu träger Reaktion des Stromspiegels im ersten Moment den gesamten Strom der Stromquelle 9 übernehmen. Die Folge wäre eine inhomogene Lichtabgabe der LEDs und damit der dieses Modul haltenden Leuchte.
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Es versteht sich, dass, wenn keine PWM-modulierte Spannung eingesetzt wird, der Kondensator 18 grundsätzlich nicht benötigt wird.
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Diese elektronische Schaltungsanordnung sowie das erfindungsgemäße Verfahren haben folgende Vorteile:
- - Mit dieser können mehrere baugleiche LEDs trotz der Streuung ihrer elektrischen Parameter so betrieben werden, dass die verbleibenden Streuungen des LED-Stroms auf ein akzeptables Maß reduziert werden;
- - die in Kauf genommene Verlustleistung ist sehr gering, weshalb der Wirkungsgrad dieser Schaltungsanordnung bezüglich der Lichtabgabe der LEDs besonders günstig ist;
- - die in der Figur gezeigte Schaltungsanordnung kann in Serie mit weiteren identisch aufgebauten Schaltungsanordnungen betrieben werden;
- - da sich die Schaltungsanordnung, wenn diese über den in der vorstehenden Beschreibung erwähnten Kondensator verfügt, auch für eine PWM-Modulation eignet, kann diese störungsfrei gedimmt werden, was grundsätzlich auch mit handelsüblichen Vorschaltgeräten mit Konstant-Strom-Ausgang möglich ist;
- - diese Schaltungsanordnung ist kleinbauend und lässt sich ohne Weiteres auf der LED-Leiterplatte unterbringen;
- - diese Schaltungsanordnung verursacht keine EMV-Störungen und keine Schwingneigungen selbst bei unterschiedlichen Randbedingungen;
- - die Kosten für die Realisierung dieser Schaltungsanordnung sind gering;
- - die Ausgestaltung der jeweiligen Applikation ist durch Austausch von Bauteilen skalierbar.
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Vorteilhaft ist bei dieser Schaltungsanordnung auch, dass jeder Regelzweig 3, 3.1, 3.n grundsätzlich auch unterschiedliche LEDs 4, 4.1, 4.n oder mehrere LEDs beinhalten kann, solange der Spannungsabfall über den Regelzweig demjenigen der übrigen Regelzweige entspricht.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten im Rahmen seiner fachüblichen Maßnahmen unter Kenntnis der Erfindung, ohne dass diese im Einzelnen ausgeführt werden müssten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Referenzzweig
- 3, 3.1, 3.n
- Regelzweig
- 4,4.1,4.n
- LED
- 5, 5.1, 5.n
- Bipolar-Transistor
- 6, 6.1, 6.n
- Widerstand
- 7
- Stromversorgung
- 8
- Masse
- 9
- Stromquelle
- 10
- LED
- 11
- Widerstand
- 12
- Schottky-Diode
- 13
- Eingang
- 14
- Operationsverstärker
- 15
- Eingang
- 16
- Ausgang
- 17
- Basisanschluss
- 18
- Kondensator
