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Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung mit wenigstens einem Leuchtmittel. Bei dem Leuchtmittel handelt es sich insbesondere um ein Halbleiterleuchtmittel, beispielsweise eine Leuchtdiode, eine Laserdiode oder eine OLED. Beispielsweise können mehrere Leuchtmittel in wenigstens einem Zweig in Reihe zueinander geschaltet sein, wobei auch mehrere Zweige parallel zueinander geschaltet sein können.
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Eine Betriebsschaltung zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung mit mehreren Leuchtdioden ist zum Beispiel aus
US 8,754,590 B2 bekannt. Dort wird über eine gesteuerte Stromquelle ein Ausgangsstrom für die Leuchtmittelanordnung bereitgestellt. Die Stromquelle weist einen Wandler mit einem pulsbreitenmoduliert angesteuerten Wandlerschalter auf. Der durch den Wandlerschalter fließende Strom wird erfasst und bei der Erzeugung des Tastgrades des pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals für den Wandlerschalter berücksichtigt.
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WO 2010/027817 A2 beschreibt eine Betriebsschaltung für eine Reihenschaltung aus Leuchtdioden. Die Betriebsschaltung weist einen ansteuerbaren Aufwärtswandler auf. Über eine angelegte Dimmsteuerspannung kann mittels einer Steuereinrichtung der Ausgangsstrom durch die Leuchtmittelanordnung eingestellt werden.
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Die aus
WO 2014/001987 A2 bekannte Betriebsschaltung sieht vor, einen Stromeinstellwiderstand mit Masse zu verbinden, mit der auch die Leuchtmittelanordnung verbunden ist. Die Betriebsschaltung ist dazu eingerichtet, den Widerstandswert zu ermitteln und abhängig davon eine ansteuerbare Stromquelle zur Bereitstellung eines Ausgangsstromes für die Leuchtmittelanordnung anzusteuern. Über den Stromeinstellwiderstand wird mithin der Stromsollwert für die Leuchtmittelanordnung vorgegeben.
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US 2006/0082397 A1 beschreibt eine Betriebsschaltung zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung mit einer Differenzverstärkerschaltung und einer Komparatorschaltung. Die Differenzverstärkerschaltung erfasst die Spannung an einem Messwiderstand, der in Reihe zur Leuchtmittelanordnung geschaltet ist. Die Differenzverstärkerschaltung ist als invertierender Spannungsverstärker ausgeführt. Der Ausgang der Differenzverstärkerschaltung ist an die Komparatorschaltung angeschlossen, deren anderer Eingang an einer Referenzspannung anliegt.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine verbesserte Betriebsschaltung bereitzustellen, mittels der ein vorgegebener Ausgangsstrom für eine Leuchtmittelanordnung erzeugt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Betriebsschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist die Betriebsschaltung eine Steuereinrichtung sowie eine durch die Steuereinrichtung ansteuerbare Spannungsquelle oder vorzugsweise Stromquelle mit einem Ausgang auf. An den Ausgang der Spannungs- oder Stromquelle ist die Leuchtmittelanordnung mit dem wenigstens einen Leuchtmittel angeschlossen. Die Spannungs- oder Stromquelle stellt einen Ausgangsstrom für die Leuchtmittelanordnung bereit. In Reihe zu der Leuchtmittelanordnung ist zwischen einem ersten Messanschluss und einem zweiten Messanschluss ein Messwiderstand geschaltet. Der Messwiderstand kann in Fließrichtung des Ausgangsstromes vor oder hinter der Leuchtmittelanordnung angeordnet sein.
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Die Betriebsschaltung weist einen Überwachungsschaltkreis auf, der eine Differenzverstärkerschaltung, eine Referenzspannungsquelle und eine Komparatorschaltung aufweist. Der erste Messanschluss ist mit einem ersten Differenzverstärkereingang der Differenzverstärkerschaltung verbunden. Der zweite Messanschluss ist mit einem zweiten Differenzverstärkereingang der Differenzverstärkerschaltung verbunden. Die Differenzverstärkerschaltung hat einen Differenzverstärkerausgang, der mit einem Stromeinstellwiderstand verbunden ist. Vorzugsweise weist die Differenzverstärkerschaltung lediglich einen einzigen Operationsverstärker auf.
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Die Betriebsschaltung kann beispielsweise einen Spannungsteiler aufweisen, der wenigstens einen in Reihe zum Stromeinstellwiderstand geschalteten Spannungsteilerwiderstand aufweist oder vorzugsweise aus diesen beiden Widerständen gebildet ist. Am Stromeinstellwiderstand liegt eine Vergleichsspannung an. Diese Vergleichsspannung wird über eine Verbindung auch an einen ersten Komparatoreingang einer Komparatorschaltung angelegt.
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Der Spannungsteiler ist vorzugsweise zwischen den Differenzverstärkerausgang und ein Bezugspotential geschaltet. Das Bezugspotential stellt einen festen, sich beim Betrieb nicht ändernden Potentialwert bereit, beispielsweise 0 Volt. Bei dem Bezugspotential handelt es sich insbesondere um ein Massepotential. Die Verbindung des Spannungsteilerwiderstands und des Stromeinstellwiderstands bildet einen Mittenabgriff des Spannungsteilers, der mit dem ersten Komparatoreingang verbunden sein kann.
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Die Referenzspannungsquelle des Überwachungsschaltkreises ist an das Bezugspotential angeschlossen und erzeugt eine gegenüber dem Bezugspotential definierte Referenzspannung. Die Referenzspannung ist insbesondere größer als das Bezugspotential. Die Referenzspannungsquelle ist zwischen einen zweiten Komparatoreingang und das Bezugspotential geschaltet, so dass die Referenzspannung an dem zweiten Komparatoreingang der Komparatorschaltung anliegt.
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Die Komparatorschaltung ist vorzugsweise durch eine einzige Komparatorstufe gebildet und weist beispielsweise einen einzigen Operationsverstärker auf. Die Komparatorschaltung ist dazu eingerichtet, die am Stromeinstellwiderstand anliegende Vergleichsspannung mit der Referenzspannung zu vergleichen und an einem Komparatorausgang ein Einstellsignal bereitzustellen, das von dem Vergleich bzw. der Differenz zwischen der Referenzspannung und der Vergleichsspannung abhängt. Der Komparatorausgang ist mit der Steuereinrichtung kommunikationsverbunden. Die Steuereinrichtung ist wiederum dazu eingerichtet, die Spannungs- oder Stromquelle abhängig von dem Einstellsignal anzusteuern. Dadurch wird der Ausgangsstrom abhängig vom Einstellsignal gesteuert.
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Der Komparatorausgang kann bei bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere im Fall einer sogenannten „Negative-Feedback-Regelung“ zur Stabilisierung des Ausgangsstromes über ein RC-Glied mit dem ersten Komparatoreingang verbunden sein, der beispielsweise mit einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers der Komparatorschaltung verbunden ist.
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Der Ausgangsstrom ist beispielsweise umgekehrt proportional zum Widerstandswert des Stromeinstellwiderstandes und/oder proportional zum Betrag der Referenzspannung.
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Mittels der Erfindung kann durch das entsprechende Dimensionieren des Stromeinstellwiderstandes auf sehr einfache Weise der Ausgangsstrom für die angeschlossene Leuchtmittelanordnung vorgegeben werden. Für die Differenzverstärkerschaltung und die Komparatorschaltung ist eine einzige Referenzspannungsquelle ausreichend. Die Anzahl der integrierten Schaltkreise bzw. Operationsverstärker ist gering, so dass die Schaltung lediglich eine geringe Fläche auf einer Leiterplatte beansprucht. Die Betriebsschaltung stellt eine hohe Genauigkeit für das Steuern bzw. Regeln des Ausgangsstromes bereit und ist unabhängig von der eingesetzten Topologie der Stromquelle. Die Stromquelle kann einen Aufwärtswandler mit integrierter Leistungsfaktorkorrekturfunktion (PFC) zur Bereitstellung einer Zwischenkreisspannung an einem Zwischenkreis aufweisen. An den Zwischenkreis kann ein Tiefsetzsteller als gesteuerte Stromquelle angeschlossen sein, wobei Topologien mit oder ohne galvanische Trennung verwendet werden können, z.B. Tiefsetzsteller, Sperrwandler, Resonanzwandler, usw.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Leuchtmittelanordnung unmittelbar mit dem Bezugspotential verbunden ist. Insbesondere kann dabei der Messwiderstand in Fließrichtung des Ausgangsstromes vor der Leuchtmittelanordnung angeordnet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Messwiderstand in Fließrichtung des Ausgangsstromes hinter der Leuchtmittelanordnung angeordnet ist, kann der Messwiderstand unmittelbar mit dem Bezugspotential verbunden sein.
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Die Differenzverstärkerschaltung kann einen und insbesondere genau einen Operationsverstärker aufweisen. Der erste Messanschluss ist über einen ersten Kopplungswiderstand mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und der zweite Messanschluss ist über einen zweiten Kopplungswiderstand mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Vorzugsweise sind in der Verbindung zwischen den Messanschlüssen und den Eingängen des Operationsverstärkers keine weiteren Bauteile vorhanden.
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Die Referenzspannungsquelle ist über einen dritten Kopplungswiderstand mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers und der Ausgang des Operationsverstärkers sind über einen vierten Kopplungswiderstand miteinander verbunden.
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Durch die vorbeschriebenen Maßnahmen lässt sich die Differenzverstärkerschaltung sehr einfach mittels eines einzigen Operationsverstärkers aufbauen. Zur Dimensionierung kann es dabei vorteilhaft sein, wenn der erste Kopplungswiderstand und der zweite Kopplungswiderstand denselben Widerstandswert aufweisen und wenn der dritte Kopplungswiderstand und der vierte Kopplungswiderstand denselben Widerstandswert aufweisen.
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Wie eingangs erläutert, kann die Spannungs- oder Stromquelle eine galvanische Trennung aufweisen, so dass die Betriebsschaltung in eine Primärseite und eine Sekundärseite getrennt werden kann. Hierzu weist die Stromquelle beispielsweise einen Transformator auf. Es ist dabei bevorzugt, wenn eine Überwachungseinrichtung, zu dem die Differenzverstärkerschaltung, die Komparatorschaltung und der Spannungsteiler gehören, sowie das Bezugspotential auf der Sekundärseite angeordnet sind. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise auf der Primärseite angeordnet.
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Um eine vollständige galvanische Trennung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn in der Kommunikationsverbindung zwischen der Komparatorschaltung und der Steuereinrichtung ein Übertragungsbauteil mit galvanischer Trennung angeordnet ist, beispielsweise ein Optokoppler. Ein solches Übertragungsbauteil kann alternativ auch zwischen der Steuereinrichtung und der Spannungs- oder Stromquelle angeordnet sein, wenn die Steuereinrichtung auf der Sekundärseite angeordnet ist.
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Bei einer Ausführung mit galvanischer Trennung kann eine Betriebsspannungsquelle auf der Sekundärseite vorhanden sein, die eine Betriebsspannung am Übertragungsbauteil bereitstellt. Die Betriebsspannungsquelle ist nicht für die Erzeugung des Einstellsignals, sondern lediglich für die Übermittlung eines Signals mit Hilfe des Übertragungsbauteils erforderlich. Bei einer Ausführung ohne galvanische Trennung kann die Betriebsspannungsquelle entfallen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Betriebsschaltung ohne galvanische Trennung,
- 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Betriebsschaltung mit einer galvanischen Trennung,
- 3 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer Betriebsschaltung mit galvanischer Trennung,
- 4 ein Blockschaltbild einer gesteuerten Stromquelle der Betriebsschaltung gemäß der 1-3 sowie einer Überwachungseinrichtung zur Erzeugung eines den Ausgangsstrom aus der Stromquelle charakterisierenden Einstellsignals,
- 5 ein Blockschaltbild einer gesteuerten Stromquelle der Betriebsschaltung gemäß der 1-3 sowie eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Überwachungseinrichtung und
- 6 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels zur Realisierung einer Differenzverstärkerschaltung der Überwachungseinrichtung gemäß den 4 und 5.
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In 1 ist ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Betriebsschaltung 10 veranschaulicht. Die Betriebsschaltung 10 dient zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung 11, die wenigstens ein Leuchtmittel 12 aufweist. Sind mehrere Leuchtmittel 12 vorhanden, können diese in wenigstens einem Zweig der Leuchtmittelanordnung 11 in Reihe geschaltet sein. Mehrere Zweige können optional auch parallel geschaltet sein. Bei dem Leuchtmittel 12 handelt es sich insbesondere um ein Halbleiterleuchtmittel, wie etwa eine Leuchtdiode oder eine OLED.
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Die Betriebsschaltung 10 weist beispielsweise eine erste Wandlerschaltung 13 auf, die mit einer Wechselspannungsquelle 14 verbunden ist. Als Wechselspannungsquelle 14 kann beispielsweise ein Energieversorgungsnetz dienen. Die erste Wandlerschaltung 13 ist vorzugsweise als Aufwärtswandler ausgeführt und stellt in einem Zwischenkreis 15 eine gleichgerichtete Gleichspannung von vorzugsweise einigen hundert Volt, beispielsweise 400 Volt bereit. Diese Zwischenkreisspannung liegt an einem Zwischenkreiskondensator 16 an.
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An den Zwischenkreis 15 ist eine gesteuerte Spannungsquelle oder eine gesteuerte Stromquelle angeschlossen. Beim Ausführungsbeispiel wird zum Betreiben von Halbleiterleuchtmitteln eine gesteuerte Stromquelle 17 verwendet.
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Die Stromquelle 17 weist eine zweite Wandlerschaltung 18 auf, die beispielsgemäß als Abwärtswandler ausgeführt ist. Zu der Stromquelle 17 bzw. der zweiten Wandlerschaltung 18 gehört wenigstens ein ansteuerbarer Wandlerschalter 19, der an einen ersten Zwischenkreisanschluss 15a des Zwischenkreises 15 angeschlossen ist. An dem ersten Zwischenkreis 15a liegt das höhere Potential der Zwischenkreisspannung an. Der Zwischenkreiskondensator 16 verbindet den ersten Zwischenkreisanschluss 15a mit einem zweiten Zwischenkreisanschluss 15b.
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Eine Wandlerdiode 20 ist mit ihrer Anode mit dem zweiten Zwischenkreisanschluss 15b verbunden und ist mit ihrer Kathode zum einen mit dem Wandlerschalter 19 und zum anderen mit einer Wandlerinduktivität 21 verbunden. Die Wandlerinduktivität 21 ist mit ihrem jeweils anderen Anschluss zum einen mit einem Wandlerkondensator 22 und zum anderen mit der Leuchtmittelanordnung 11 verbunden. Der Wandlerkondensator 22 ist mit seinem der Wandlerinduktivität 21 entgegengesetzten Anschluss mit dem zweiten Zwischenkreisanschluss 15b verbunden. Der Wandlerkondensator 22 verbindet einen ersten Ausgangsanschluss 23a und einen zweiten Ausgangsanschluss 23b eines Ausgangs 23 der Stromquelle 17 miteinander.
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An diesen Ausgang 23 ist eine Reihenschaltung aus der Leuchtmittelanordnung 11 und einem Messwiderstand RM angeschlossen. Der Verbindungspunkt zwischen der Leuchtmittelanordnung 11 und dem Messwiderstand RM liegt beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf einem festen Bezugspotential, das hier durch die Masse M gebildet ist. An dem Messwiderstand RM liegt eine Messspannung UM an, deren niedrigeres Potential der Masse M entspricht.
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Ein Stromeinstellwiderstand RS verbindet die Masse M mit einem Überwachungsschaltkreis 28 einer Überwachungseinrichtung 29. Zu der Überwachungseinrichtung 29 gehört neben dem Überwachungsschaltkreis 28 auch der Messwiderstand RM und der Stromeinstellwiderstand RS.
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Der Messwiderstand RM ist zwischen einen ersten Messanschluss 30a und einen zweiten Messanschluss 30b geschaltet, die jeweils mit dem Überwachungsschaltkreis 28 verbunden sind. Beispielsgemäß ist der erste Messanschluss 30a mit Masse verbunden und der zweite Messanschluss 30b mit dem zweiten Ausgangsanschluss 23b der Stromquelle 17. An dem Stromeinstellwiderstand RS liegt eine Vergleichsspannung UV an.
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Der Überwachungsschaltkreis 28 ist dazu eingerichtet, ein Einstellsignal SE zu erzeugen und an eine Steuereinrichtung zu übermitteln. Das Einstellsignal SE ist parameterabhängig und hängt unter anderem von der am Messwiderstand RM anliegenden Messspannung UM und der am Stromeinstellwiderstand RS anliegenden Vergleichsspannung UV ab. Basierend auf dem Stromeinstellsignal SE steuert die Steuereinrichtung 31 die Stromquelle 17 an und erzeugt beim Ausführungsbeispiel ein Wandlerschaltsignal W für den Wandlerschalter 19. Das Wandlerschaltsignal W ist beispielsgemäß pulsbreitenmoduliert. Abhängig von dem Tastgrad des Wandlerschaltsignals W ist der Betrag eines Ausgangsstromes IA, der vom Ausgang 23 der Stromquelle 17 durch die Leuchtmittelanordnung 11 fließt, einstellbar.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Betriebsschaltkreises 10 veranschaulicht. Der Unterschied gegenüber 1 besteht hauptsächlich darin, dass die Betriebsschaltung 10 galvanisch in eine Primärseite 35 und eine Sekundärseite 36 getrennt ist. Um dies zu erreichen, wird eine zweite Wandlerschaltung 18 der Stromquelle 17 mit einer anderen Topologie verwendet, beispielsweise ein Sperrwandler. Primärseitig weist der Sperrwandler eine an den ersten Zwischenkreisanschluss 15a angeschlossene Primärwicklung 37 und in Reihe zu der Primärwicklung 37 den gesteuerten Wandlerschalter 19 auf, der beispielsgemäß zwischen der Primärwicklung 37 und dem zweiten Zwischenkreisanschluss 15b angeordnet ist. Sekundärseitig ist mit der Primärwicklung 37 eine Sekundärwicklung 38 gekoppelt. Die Sekundärwicklung 38 ist über die Wandlerdiode 20 mit dem ersten Ausgangsanschluss 23a verbunden, wobei die Kathode der Wandlerdiode 20 dem ersten Ausgangsanschluss 23a zugeordnet ist. Der andere Anschluss der Sekundärwicklung 38 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss 23b verbunden.
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Die Überwachungseinrichtung 29 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird. Die Überwachungseinrichtung 29 ist an der Sekundärseite 36 angeordnet. Beispielsgemäß befindet sich die Steuereinrichtung 31 auf der Primärseite 35. Um die galvanische Trennung aufrecht zu erhalten, ist in der Verbindung zwischen dem Überwachungsschaltkreis 28 und der Steuereinrichtung 31 zur Übermittlung des Einstellsignals SE ein Übertragungsbauteil 39 mit galvanischer Trennung angeordnet, das beispielsweise durch einen Optokoppler mit einer Optokopplerdiode 40 und einem Optokopplertransistor 41 gebildet sein kann. Die Anode der Optokopplerdiode 40 ist beispielsgemäß mit einer sekundärseitigen Spannungsquelle 42 verbunden, so dass an ihrer Anodenseite eine sekundärseitige Arbeitsspannung US anliegt. Die Kathodenseite der Optokopplerdiode 40 ist mit dem Überwachungsschaltkreis 28 verbunden, wobei in Reihe zu der Optokopplerdiode 40 beispielsgemäß ein Strombegrenzungswiderstand 43 angeordnet ist. Der Emitteranschluss und der Kollektoranschluss des Optokopplertransistors 41 sind mit der Steuereinrichtung 31 verbunden. Das Einstellsignal SE kann somit ohne galvanische Verbindung über das Übertragungsbauteil 39 zur Steuereinrichtung 31 übermittelt werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Betriebsschaltung 10 ist in 3 veranschaulicht. Wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist die Betriebsschaltung 10 eine galvanische Trennung in Primärseite 35 und Sekundärseite 36 auf. Der Unterschied gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel aus 2 besteht darin, dass die gesteuerte Stromquelle 17 als zweite Wandlerschaltung 18 einen Resonanzwandler aufweist. In Reihe zueinander sind an den Zwischenkreis 15 ein erster Wandlerschalter 19a und ein zweiter Wandlerschalter 19b geschaltet, die jeweils durch ein erstes Wandlerschaltsignal Wa bzw. ein zweites Wandlerschaltsignal Wb von der Steuereinrichtung 31 angesteuert werden. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Wandlerschaltern ist mit einer Wandlerinduktivität 21 verbunden, zu der in Reihe die Primärwicklung 37 sowie ein primärseitiger Kondensator 47 geschaltet sind. Der primärseitige Kondensator 47 ist mit seinem der Primärwicklung 37 entgegengesetzten Anschluss mit dem zweiten Zwischenkreisanschluss 15b und dem zweiten Wandlerschalter 19b verbunden.
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Auf der Sekundärseite 36 weist die zweite Wandlerschaltung 18 eine Sekundärwicklung 38 mit einem ersten Wicklungsabschnitt 38a und einem zweiten Wicklungsabschnitt 38b auf, die über einen Zapfanschluss 48 miteinander verbunden sind. Der Zapfanschluss 48 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss 23b verbunden. Die jeweils dem Zapfanschluss 48 entgegengesetzten Anschlüsse der beiden Wicklungsabschnitte 38a, 38b der Sekundärwicklung 38 sind über jeweils eine Wandlerdiode 20 mit dem ersten Ausgangsanschluss 23a verbunden. Im Übrigen entspricht das dritte Ausführungsbeispiel der Betriebsschaltung 10 gemäß 3 dem zweiten Ausführungsbeispiel der Betriebsschaltung 10 aus 2.
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Wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 erläutert, kann der Wandlerschalter 19 bzw. können die Wandlerschalter 19a, 19b durch das wenigstens eine Wandlerschaltsignal W, Wa, Wb pulsbreitenmoduliert angesteuert werden, um beim Ausgang 23 der gesteuerten Stromquelle 17 den gewünschten Ausgangsstrom IA einzustellen. Die Funktionsweisen der Topologien der zweiten Wandlerschaltung 18 sind bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann. Der Tastgrad bzw. das Tastverhältnis des wenigstens einen Wandlerschaltsignals W, Wa, Wb wird abhängig vom Einstellsignal SE in der Steuereinrichtung 31 bestimmt. Das Einstellsignal SE wird durch die Überwachungseinrichtung 29 erzeugt. Anhand der 4-6 werden Ausführungsbeispiele der Überwachungseinrichtung und deren Funktion nachfolgend erläutert.
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Bei dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel des Überwachungsschaltkreises 28 weist dieser eine Referenzspannungsquelle 52, eine Differenzverstärkerschaltung 53 sowie eine Komparatorschaltung 54 auf.
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Die Differenzverstärkerschaltung 53 hat einen ersten Differenzverstärkereingang 53a, einen zweiten Differenzverstärkereingang 53b ,einen Differenzverstärkerausgang 53c sowie einen Referenzspannungseingang 53d. Der eine und beispielsgemäß der erste Differenzverstärkereingang 53a ist mit dem ersten Messanschluss 30a und der jeweils andere Eingang, beispielsgemäß der zweite Differenzverstärkereingang 53b ist mit dem zweiten Messanschluss 30b verbunden. Bei dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel liegt der erste Messanschluss 30a und somit der erste Differenzverstärkereingang 53a auf Masse M.
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Ein konkretes Ausführungsbeispiel für die Ausführung der Differenzverstärkerschaltung 53 ist in 6 gezeigt. Die Differenzverstärkerschaltung 53 weist einen und insbesondere genau einen Operationsverstärker 55 auf. Dessen nicht-invertierender Eingang ist über einen ersten Kopplungswiderstand R1 mit dem ersten Differenzverstärkereingang 53a verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 55 ist über einen zweiten Kopplungswiderstand R2 mit dem zweiten Eingang 53b der Differenzverstärkerschaltung 53 verbunden. Ein dritter Kopplungswiderstand R3 verbindet den Referenzspannungseingang 53d mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 55 und einen Masseanschluss des Operationsverstärkers 55 ist mit der Masse M verbunden. Ein vierter Kopplungswiderstand R4 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers 55 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 55. Der Ausgang des Operationsverstärkers 55 bildet auch den Differenzverstärkerausgang 53c der Differenzverstärkerschaltung 53.
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Die Verstärkung des Operationsverstärkers
55 ist mit G bezeichnet. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Kopplungswiderstandes
R1,
R2 gleich groß gewählt und die Widerstandswerte für den dritten und vierten Kopplungswiderstand
R3,
R4 sind ebenfalls gleich groß gewählt, so dass auf jeden Fall die folgende allgemeine Forderung an einen Operationsverstärker gilt:
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Die Arbeitsweise des Operationsverstärkers lässt sich dadurch optimieren.
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Für eine Differenzverstärkerausgangsspannung
UD am Differenzverstärkerausgang
53c gilt somit:
wobei
UE eine Eingangsspannung ist, die gleich der Differenz der des Potenzials am ersten Komparatoreingang
53a minus des Potenzials am zweiten Komparatoreingang
53b ist.
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Zurückkommend auf 4 ist der Differenzverstärkerausgang 53c über einen Spannungsteilerwiderstand R5 sowohl mit einem ersten Komparatoreingang 54a der Komparatorschaltung 54, als auch mit dem Stromeinstellwiderstand RS verbunden. Der Spannungsteilerwiderstand R5 und der Stromeinstellwiderstand RS bilden einen Spannungsteiler 56 der Überwachungseinrichtung 29. An dem Spannungsteiler 56 liegt die Differenzverstärkerausgangsspannung UD und an dem Stromeinstellwiderstand RS die Vergleichsspannung UV an.
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Ein zweiter Komparatoreingang 54b der Komparatorschaltung 54 ist mit der Referenzspannungsquelle 52 verbunden, so dass an dem zweiten Komparatoreingang 54b die Referenzspannung UR anliegt. Ein Komparatorausgang 54c der Komparatorschaltung 54 ist mit der Steuereinrichtung 31 gekoppelt bzw. kommunikationsverbunden, um das am Komparatorausgang 54c bereitgestellte Stellsignal SE zur Steuereinrichtung 31 zu übermitteln. Der Komparatorausgang 54c ist beispielsgemäß mit einem RC-Glied 57 mit dem zweiten Komparatoreingang 54b verbunden. Das RC-Glied 57 ist durch eine Reihenschaltung aus einem Reihenwiderstand R und einem Kondensator C gebildet
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Bei dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Messwiderstand RM in Fließrichtung des Ausgangsstromes IA durch die Leuchtmittelanordnung 11 hinter der Leuchtmittelanordnung 11 angeordnet. Der erste Messanschluss 30a entspricht dem Verbindungspunkt zwischen der Leuchtmittelanordnung 11 und dem Messwiderstand RM und liegt beispielsgemäß auf Masse M.
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Alternativ hierzu kann der Messwiderstand RM in Fließrichtung des Ausgangsstromes IA auch vor der Leuchtmittelanordnung 11 angeordnet sein, was schematisch in 5 veranschaulicht ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Messwiderstand RM und der Leuchtmittelanordnung 11 entspricht dem zweiten Messanschluss 30b, während der erste Messanschluss 30a mit dem ersten Ausgangsanschluss 23a der Stromquelle 17 verbunden ist. Das Bezugspotential, das hier durch die Masse M gebildet ist, liegt bei diesem Ausführungsbeispiel am zweiten Ausgangsanschluss 23b der Stromquelle 17 an.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen ist die Referenzspannung
UR auf das feste Bezugspotential, bezogen, das durch die Masse
M gebildet ist. Dieser gegenüber dem Bezugspotential und beispielsgemäß der Masse
M definierte Spannungswert der Referenzspannung
UR liegt am zweiten Komparatoreingang
54b an. Am ersten Komparatoreingang
54a liegt die Vergleichsspannung
UV an, die durch Spannungsteilung am Spannungsteiler
56 aus der Differenzverstärkerausgangsspannung
UD gebildet ist und am Stromeinstellwiderstand
RS anliegt. Dabei gilt:
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An dem Messwiderstand
RM liegt die Messspannung
UM an, die wiederum von dem Ausgangsstrom
IA abhängt:
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Die Komparatorschaltung
54 ist beim Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, das Einstellsignal
SE derart einzustellen, dass die Spannung zwischen den beiden Komparatoreingängen
54a,
54b zu null wird, so dass gilt:
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Aus den Gleichungen (2) bis (5) ergibt sich folgender Zusammenhang:
und durch weitere Umformung der Gleichung (6) erhält man
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Aus Gleichung (7) ist ersichtlich, dass der Ausgangsstrom IA proportional ist zur gewählten Referenzspannung UR und umgekehrt proportional zum Widerstandswert des Stromeinstellwiderstandes RS.
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Dadurch kann durch geeignete Dimensionierung des Stromeinstellwiderstandes RS der Ausgangsstrom IA durch die Leuchtmittelanordnung 11 definiert werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Betrag der Referenzspannung
UR oder der Widerstandswert des Spannungsteilerwiderstands
R5 zur Einstellung des Ausgangsstromes I
A verwendet werden. Der Messwiderstand
RM ist vorzugsweise sehr klein und beim Ausführungsbeispiel kleiner als 1 Ohm, vorzugsweise 0,1 Ohm. Der Stromeinstellwiderstand kann beispielsweise durch folgende Beziehung dimensioniert werden:
wobei K ein Faktor ist und UL eine an der Leuchtmittelanordnung
11 anliegende Sollspannung darstellt. Die Sollspannung an der Leuchtmittelanordnung
11 hängt von der Ausführung der Leuchtmittelanordnung
11 ab und insbesondere davon, welche Art von Leuchtmittel
12 verwendet wird und ob mehrere Leuchtmittel
12 in Reihe geschaltet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Sollspannung an der Leuchtmittelanordnung
11 gleich 5 Volt und der Faktor K gleich 1000 gewählt werden.
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Sowohl die Differenzverstärkerschaltung 53, als auch die Komparatorschaltung 54 verwenden beim Ausführungsbeispiel lediglich genau einen Operationsverstärker. Die Überwachungseinrichtung 29 kommt mit einer einzigen Referenzspannungsquelle 52 aus. Die Überwachungsschaltung 28 bzw. die Überwachungseinrichtung 29 können daher auf einer sehr kleinen Leiterplattenfläche realisiert werden. Die Anzahl der Bauteile und die Komplexität ist gering. Dennoch wird eine hohe Genauigkeit bei der Einstellung des Ausgangsstromes IA durch die Leuchtmittelanordnung 11 erreicht.
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Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung 10 zum Betreiben einer Leuchtmittelanordnung 11 mit wenigstens einem Leuchtmittel 12. Eine Steuereinrichtung 31 steuert eine Spannungsquelle und/oder vorzugsweise eine Stromquelle 17 an, die an ihrem Ausgang einen durch die Leuchtmittelanordnung 12 fließenden Ausgangsstrom IA entsprechend dem Ansteuersignal der Steuereinrichtung 31 einstellt. Das Ansteuersignal, beispielsweise ein Wandlerschaltsignal W, der Steuereinrichtung 31 wird abhängig von einem Einstellsignal SE in der Steuereinrichtung 31 gebildet.
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Eine Überwachungseinrichtung 29 ist dazu eingerichtet, das Einstellsignal SE zu erzeugen. Die Überwachungseinrichtung 29 weist einen in Reihe zur Leuchtmittelanordnung geschalteten Messwiderstand RM auf, an dem eine Messspannung UM anliegt, die an die Eingänge 53a, 53b einer Differenzverstärkerschaltung 53 angelegt wird. Mit einem Ausgang 53c der Differenzverstärkerschaltung 53 ist beispielsweise ein Spannungsteiler 56 verbunden, der einen Stromeinstellwiderstand RS aufweist, an dem eine Vergleichsspannung UV anliegt, die einem ersten Komparatoreingang 54a einer Komparatorschaltung 54 übermittelt wird. Am zweiten Komparatoreingang 54b der Komparatorschaltung 54 liegt eine definierte Referenzspannung UR an. Das am Komparatorausgang 54c erzeugte Einstellsignal SE wird abhängig von den Beträgen der Vergleichsspannung UV und der Referenzspannung UR durch die Komparatorschaltung 54 erzeugt. Beispielsweise kann eine Differenz oder eine Summe der Vergleichsspannung UV und der Referenzspannung UR gebildet werden. Die Komparatorschaltung 54 kann hierfür einen Operationsverstärker aufweisen, der als Differenzbildner, Summenbildner oder als invertierender Verstärker mit einer Rückkopplung vom Ausgang zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gebildet sein kann. Im letzteren Fall wird das Einstellsignal SE derart gebildet, dass die Differenz zwischen dem invertierenden und dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gleich null ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Betriebsschaltung
- 11
- Leuchtmittelanordnung
- 12
- Leuchtmittel
- 13
- erste Wandlerschaltung
- 14
- Wechselspannungsquelle
- 15
- Zwischenkreis
- 15a
- erster Zwischenkreisanschluss
- 15b
- zweiter Zwischenkreisanschluss
- 16
- Zwischenkreiskondensator
- 17
- Stromquelle
- 18
- zweite Wandlerschaltung
- 19
- Wandlerschalter
- 20
- Wandlerdiode
- 21
- Wandlerinduktivität
- 22
- Wandlerkondensator
- 23
- Ausgang der Stromquelle
- 23a
- erster Ausgangsanschluss
- 23b
- zweiter Ausgangsanschluss
- 28
- Überwachungsschaltkreis
- 29
- Überwachungseinrichtung
- 30a
- erster Messanschluss
- 30b
- zweiter Messanschluss
- 31
- Steuereinrichtung
- 35
- Primärseite
- 36
- Sekundärseite
- 37
- Primärwicklung
- 38
- Sekundärwicklung
- 39
- Übertragungsbauteil
- 40
- Optokopplerdiode
- 41
- Optokopplertransistor
- 42
- sekundärseitige Spannungsquelle
- 43
- Strombegrenzungswiderstand
- 47
- primärseitiger Kondensator
- 48
- Zapfanschluss
- 52
- Referenzspannungsquelle
- 53
- Differenzverstärkerschaltung
- 53a
- erster Differenzverstärkereingang
- 53b
- zweiter Differenzverstärkereingang
- 53c
- Differenzverstärkerausgang
- 54
- Komparatorschaltung
- 54a
- erster Komparatoreingang
- 54b
- zweiter Komparatoreingang
- 54c
- Komparatorausgang
- 55
- Operationsverstärker
- 56
- Spannungsteiler
- 57
- RC-Glied
- C
- Kondensator
- IA
- Ausgangsstrom
- M
- Masse
- UD
- Differenzverstärkerausgangsspannung
- UE
- Eingangsspannung
- UM
- Messspannung
- UR
- Referenzspannung
- US
- sekundärseitige Arbeitsspannung
- UV
- Vergleichsspannung
- R
- Reihenwiderstand
- R1
- erster Kopplungswiderstand
- R2
- zweiter Kopplungswiderstand
- R3
- dritter Kopplungswiderstand
- R4
- vierter Kopplungswiderstand
- R5
- Spannungsteilerwiderstand
- RM
- Messwiderstand
- RS
- Stromeinstellwiderstand
- SE
- Einstellsignal
