DE102017113394B4 - Kreuzgekoppelte Schaltstufe - Google Patents

Abstract

Beleuchtungseinrichtung mit einer Umschalteinrichtungmit einem ersten Schaltungszweig (11), der einen ersten gesteuerten Schalter (23) zum Freigeben und Sperren eines Stroms durch eine an den ersten Schalter (23) angeschlossene oder anschließbare erste Last (13) aufweist, wobei der erste gesteuerte Schalter (23) einen ersten Steuereingang (26) aufweist,mit wenigstens einem zweiten Schaltungszweig (12), der einen zweiten gesteuerten Schalter (25) zum Freigeben und Sperren eines Stroms durch eine an den zweiten Schalter (25) anschließbare oder angeschlossene zweite Last (14) aufweist, wobei der zweite gesteuerte Schalter (25) einen zweiten Steuereingang (27) aufweist,mit einer Ansteuerschaltung (30), die einen ersten Ausgang (28), der mit dem ersten Steuereingang (26) verbunden ist, und einen zweiten Ausgang (29) aufweist, der mit dem zweiten Steuereingang (27) verbunden ist,mit einem ersten Kanal (33), über den der erste Schalter (23) und die erste Last (13) des ersten Schaltungszweigs (11) mit dem Steuereingang (27) jedes anderen Schaltungszweigs (12) verbunden sind,mit einem zweiten Kanal (34), über den der zweite Schalter (25) und die zweite Last (14) des zweiten Schaltungszweigs (12) mit dem Steuereingang (26) jedes anderen Schaltungszweigs (11) verbunden sind.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Umschalteinrichtung für den Betrieb wenigstens zweier Lichtquellen an einer Strom- oder Spannungsquelle sowie eine Beleuchtungseinrichtung mit einer solchen Umschalteinrichtung.
• Aus der US 2015/0373790 A1 ist es bekannt, zwei LED-Lichtquellen aus einem gemeinsamen Vorschaltgerät zu speisen. Die beiden LED-Lichtquellen sind zueinander parallel geschaltet und über wenigstens einen getakteten Schalter ein- und ausschaltbar. Das Ein- und Ausschalten der beiden LED-Lichtquellen erfolgt in schneller Folge in zumindest einer der angegebenen Ausführungsformen abwechselnd, wobei durch eine Pulsweitenmodulation des Umschaltsignals das Verhältnis von Leucht- und Dunkelphasen der beiden LED-Lichtquellen zueinander justiert und somit Einfluss auf die Lichtfarbe genommen werden kann.
• Aus der EP 2 941 099 A1 ist die Umschaltung von Lasten an Stromquellen bekannt, wobei zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur eine der Lasten bestromt werden soll. Das Umschalten des Stroms von einer Last zur anderen soll zeitgleich erfolgen, wobei Stromstöße durch Verzögerung in der Schalteranordnung durch eine geeignete Schaltsteuereinheit vermieden werden. Dabei ist jeder Last eine eigene Konstantstromquellenanordnung zugeordnet.
• Die Ein- und Ausschaltzeiten der genutzten elektronischen Schalter unterliegen Schwankungen, zum Beispiel im Rahmen der Exemplarstreuung der verwendeten Schalterbauelemente, wie auch in Abhängigkeit von Alterung, Temperatur und Ähnlichem.
• Das abwechselnde Verbinden von LED-Ketten mit einer Stromquelle durch alternierende Schalter ist auch aus der US 2010/0283322 A1 bekannt.
• Aus der DE 20 2011 050 938 U1 ist es bekannt, zwei Leuchtdiodengruppen durch einen astabilen Multivibrator abwechseln mit einer Spannungsquelle zu verbinden, um einen Wärmestau an den beiden Leuchtdiodengruppen zu verhindern.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungseinrichtung mit einem robusten Konzept zur Lastumschaltung anzugeben.
• Diese Aufgabe wird mit der Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 wie gelöst:
• Die Umschalteinrichtung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung umfasst wenigstens zwei Schaltungszweige, die jeweils einen gesteuerten Schalter enthalten. Über eine Ansteuerschaltung werden die beiden Schalter abwechselnd in schneller Folge geöffnet und geschlossen. Von jedem der Schalter führt ein Kanal zu dem Steuereingang des jeweils anderen Schalters. Dieser Kanal dient dazu, das Öffnen eines Schalters genau dann zu bewirken, wenn der jeweils andere Schalter tatsächlich gerade schließt. Dies z.B., indem der Spannungsanstieg an einem Ausgang eines Schalters einen Spannungsanstieg an dem Steuereingang des anderen Schalters bewirkt. Umgekehrt bewirkt ein Spannungsabfall an dem Ausgang eines der Schalter beim Einschalten eine sofortige Spannungsabsenkung an dem Steuereingang des anderen Schalters. Beide Schalter durchlaufen somit gleichzeitig, jedoch mit gegenläufiger Richtung, ihren ohmschen Bereich zwischen Sperren und Leiten. Damit wird ein kurzzeitiger Zwischenzustand, in dem die wenigstens zwei Schalter beide geschlossen oder beide geöffnet wären, sicher ausgeschlossen. Für die Stromquelle bleibt immer und lückenlos ein stromabnehmender Pfad in Gestalt der beiden Leitungszweige erhalten, wobei die Summe der von den Schaltungszweigen gebildeten Widerstände aus Sicht der Stromquelle im Idealfall, auch während des Umschaltens, konstant bleibt.
• Die Vermeidung oben genannter Zwischenzustände mit gleichzeitig leitenden oder gleichzeitig sperrenden Schaltern ist auch dann gegeben, wenn die an den Ausgängen der Ansteuerschaltung bereitgestellten Ansteuersignale keine Rücksicht auf an den Schaltern auftretende Sperrverzögerungen oder dergleichen nehmen. Die Ansteuersignale können flankengleich bereitgestellt sein, d.h. die Rückflanke des einen Signals stimmt mit der Vorderflanke des anderen Signals überein. Die Schaltimpulse der Ansteuerschaltung können aber auch einen gegenseitigen Flankenversatz aufweisen, der ohne die mitkoppelnden Kanäle zu einem lückenden Schalten der beiden Schalter führen würde. Der Flankenversatz kann von Treiberstufen herrühren, die die Ansteuersignale für die Steuereingange der Schalter aufbereiten und niederohmig bereitstellen, um Gate-Kapazitäten der Schalter zügig umzuladen. Durch die kreuzweise Kopplung eines Steuereingangs eines Schalters an den Ausgang eines anderen Schalters wird das Umladen der Gate-Kapazitäten beschleunigt und lückendes Schalten aber vermieden. Außerdem entlastet die kapazitive Mitkopplung, die von dem Ausgang jedes Schalters zu dem Eingang jedes anderen Schalters etabliert ist, die Treiberstufen und gestattet die entsprechend schwächere Auslegung derselben. Die senkt den Bauteileaufwand erheblich.
• Die Umschalteinrichtung kann jeweils den beiden Lasten vorgeschaltete Dioden enthalten. Diese tragen im Umschaltmoment zur Verminderung von Stromspitzen an den Lichtquellen, insbesondere LED-Lichtquellen, bei. Dies gilt insbesondere, wenn den LED-Lichtquellen Pufferkondensatoren parallel geschaltet sind. Es wird insbesondere verhindert, dass Ladung des zu Glättungszwecken vorgesehenen Kondensators aus einem gerade sperrenden Zweig und/oder seiner Streukapazität einen zusätzlichen Strom durch die LED-Bauelemente des gerade einschaltenden Zweigs verursacht.
• Die Schalter sind vorzugsweise invertierende Verstärkerbauelemente wie beispielsweise Bipolartransistoren, Feldeffekttransitoren (MOSFET, JFET) oder eine Kombination daraus wie IGBTs.
• Die beiden die Lasten enthaltenden Schaltungszweige sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet, so dass sie von einer gemeinsamen Quelle gespeist werden können. Die gemeinsame Quelle hat vorzugsweise Stromquellencharakteristik, um den in jedem eingeschalteten Schaltungszweig fließenden Strom im Wesentlichen konstant zu halten oder dem Strom einen vorgegebenen gewünschten Verlauf zu geben. Als Stromquellenschaltungen kommen insbesondere getaktete Schaltungen in Betracht, die aus einer gegebenen Gleichspannung einen kontrollierten konstanten Strom ableiten, wie es beispielsweise von Tiefsetzstellern (sogenannten Buck-Konvertern) bekannt ist. Der als Stromquelle dienende Buck-Konverter kann aus einer Gleichspannung gespeist werden, die beispielsweise von einer externen Gleichspannungsquelle oder von einem Hochsetzsteller aus einer gleichgerichteten Netzwechselspannung erzeugt wird. Der Hochsetzsteller dient auch zur Leistungsfaktorkorrektur und wird deswegen als PFC (Power Factor Correction) bezeichnet.
• In den wenigstens zwei Kanälen zur kreuzweisen Kopplung der beiden Schaltungszweige mit den Steuereingängen des jeweils anderen Zweigs ist vorzugsweise eine impedanzbehaftete Anordnung vorgesehen. Diese kann impedanzbehaftete Bauelemente enthalten, wie insbesondere kapazitive und/oder resistive Bauelemente. Die kapazitive Komponente der impedanzbehafteten Anordnung kann durch einen Kondensator gebildet sein. Er bewirkt eine besonders schnelle Umladung der Gate-Kapazität, wenn als elektronischer Schalter ein Feldeffekttransistor Verwendung findet. Zusätzlich sind zwischen den Steuereingängen und den Ausgängen der Ansteuerschaltung vorzugsweise weitere impedanzbehaftete Bauelemente, wie insbesondere ohmsche Widerstände angeordnet. Diese dienen der Entkopplung der Ausgänge von den Steuereingängen, um die Steuerung der elektronischen Schalter durch den jeweils anderen Schaltungszweig gerade im Umschaltmoment zu fördern.
• Die impedanzbehafteten Bauelemente der Kanäle und auch die impedanzbehafteten Bauelemente zwischen den Steuereingängen und der Ansteuerschaltung können lineare Bauelemente sein. Es ist jedoch auch möglich, nichtlineare Bauelemente, insbesondere nichtlineare resistive Bauelemente, wie Dioden oder dergleichen vorzusehen. Vorzugsweise ist die Kapazität der Impedanz jedes Kanals (vorzugsweise deutlich) größer als jede etwaige Kapazität zwischen den Steuereingängen und den Ausgängen der Ansteuerschaltung. Dadurch werden die Umschaltzeitpunkte der beiden Schalter von der Ansteuerschaltung grob vorgegeben und von den Kanälen fein aufeinander abgestimmt, so dass niemals beide Schalter zugleich leiten oder zugleich sperren. Sind mehrere Schaltungszweige vorhanden, gilt diese Aussage für jeweils die zwei der mehreren Schaltungszweige, die gerade umschalten sollen.
• Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder den Unteransprüchen. Es zeigen:
• 1 eine Beleuchtungseinrichtung mit Umschalteinrichtung, im vereinfachten Prinzipschaltbild,
• 2 die Beleuchtungseinrichtung nach 1 mit Veranschaulichung parasitärer Kapazitäten,
• 3 Strom- und Spannungsverläufe in der Beleuchtungseinrichtung nach 2 und
• 4 eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Schaltungszweigen.
• In 1 ist eine Beleuchtungseinrichtung 10 veranschaulicht, die zueinander parallele Schaltungszweige 11, 12 aufweist, die als Last 13, 14 jeweils LEDs 15, 16, 17, 18 enthalten. Die LEDs 15, 16 des ersten Schaltungszweigs 11 sind untereinander vorzugsweise in Reihe geschaltet. Die LEDs 17, 18 des zweiten Schaltungszweiges 12 sind vorzugsweise ebenfalls in Reihe geschaltet. Die Anzahl der in Reihe geschalteten LEDS richtet sich nach den praktischen Erfordernissen. Außerdem können in jedem Leitungszweig 11 und/oder 12 mehreren Serienschaltungen von LEDS untereinander parallel geschaltet sein.
• Die beiden Schaltungszweige 11, 12 sind jeweils optional durch Entkopplungsdioden 19, 20 mit einer stromzuführenden Leitung 21 verbunden, die von einer Stromquelle 22 mit einem vorgegebenen Strom versorgt wird. Die Entkopplungsdioden 19, 20 sind in Flussrichtung gepolt, d.h. bei positiver Spannung an der Leitung 21 sind sie mit ihren Anoden mit der Leitung 21 verbunden.
• Außerdem sind den Lasten 13, 14 zumindest optional jeweils ein Glättungskondensator C11, C12 parallel geschaltet, der die Spannung über der jeweiligen Last 13, 14 näherungsweise konstant hält und den Stromfluss durch die LEDs 15, 16 bzw. 17, 18, trotz Taktung des Stroms in dem jeweiligen Schaltungszweig 11, 12, im Wesentlichen konstant hält.
• Zu dem ersten Schaltungszweig 11 gehört ein erster Schalter 23, der die Last 13 mit einer Bezugspotential Gnd führenden Leitung 24 verbindet. Der zweite Schaltungszweig 12 enthält einen elektronischen zweiten Schalter 25, der die Last 14 mit der Leitung 24 verbindet. Die beiden Schalter 23, 25 sind vorzugsweise Halbleiterschalter, wie insbesondere selbstsperrende n-Kanal MOSFET vom Anreicherungstyp. Das erfindungsgemäße Prinzip ist darauf jedoch nicht beschränkt - es können bei entsprechend umgekehrter Polung aller Dioden und der Stromquelle 22 auch p-Kanal-Feldffekttransistoren Anwendung finden. Außerdem können Sperrschicht-Feldeffekttransistoren und selbstleitende MOSFET-Transistoren vom Anreicherungstyp Anwendung finden. Weiter können bipolare Transistoren oder IGBTs eingesetzt werden.
• Die beiden Schalter 23, 25 weisen jeweils einen Steuereingang 26, 27 auf, der bei Verwendung von MOSFET durch den jeweiligen Gate-Anschluss gebildet wird. Die Drain-Anschlüsse der MOSFET der Schalter 23, 25 sind jeweils mit den Lasten 13, 14 verbunden, während die Source-Anschlüsse mit der Masseleitung 24 verbunden sind.
• Die Steuereingänge 26, 27 der beiden Schalter 23, 25 sind mit Ausgängen 28, 29 einer Ansteuerschaltung 30 verbunden, die Steuerimpulse für die Schalter 23, 25 liefert. Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Ausgang 28 der Ansteuerschaltung und dem ersten Steuereingang 26 ein impedanzbehaftetes Bauelement 31, vorzugsweise in Gestalt eines ohmschen Widerstands mit linearer gegebenenfalls auch nicht linearer Charakteristik angeordnet. Ein weiteres impedanzbehaftetes Bauelement 32, ebenfalls vorzugsweise in Gestalt eines linearen ohmschen Widerstands, ist zwischen dem zweiten Ausgang 29 und dem zweiten Steuereingang 27 angeordnet. Die Bauelemente 31, 32 bewirken eine Begrenzung des aus den Ausgängen 28, 29 zur Umladung der Gate-Kapzitäten C_p1 ... C_p4 (siehe 2) in die Steuereingänge 26, 27 fließenden Ströme. Damit werden die Potentiale der Gates von den Potentialen der Ausgänge 28, 29 zumindest während der Umschaltphasen zumindest kurzzeitig entkoppelt.
• Zur gegenseitigen Steuerung der beiden Schalter 23, 25 sind ein erster Kanal 33 und ein zweiter Kanal 34 vorgesehen. Der erste Kanal 33 führt von dem ersten Schaltungszweig 11 zu dem zweiten Steuereingang 27. Der erste Kanal 33 nimmt dabei vorzugsweise an dem Schaltungspunkt 35 seinen Anfang, der zwischen der Last 13 und dem Schalter 23 liegt. Der zweite Kanal 34 verbindet den zweiten Schaltungszweig 12 mit dem ersten Steuereingang 26. Er nimmt seinen Anfang an einem Schaltungspunkt 36, bei dem der Schalter 25 mit der Last 14 verbunden ist.
• Der erste Kanal 33 enthält wenigstens ein impedanzbehaftetes Element 37, vorzugsweise in Gestalt eines Kondensators 38. Der zweite Kanal 34 enthält ebenfalls ein impedanzbehaftetes Bauelement 39, vorzugsweise in Gestalt eines Kondensators 40. Dem impedanzbehafteten Bauelement 39 können weitere Bauelemente parallel oder in Reihe geschaltet sein, wie beispielsweise lineare oder nicht lineare Widerstande 41, 42. Diese können ohmsche Widerstände sein. Durch die kapazitiven Elemente 37, 39 ist die Ankopplung der Gates an die Schaltungspunkte 35, 36 gerade im Umschaltmoment besonders stark, so dass im Umschaltmoment die Steuerung des Umschaltvorgangs eines Schalters 23 von dem Umschaltvorgang des anderen Schalters 25 dominierend gesteuert wird. Die Impedanz der kapazitiven Elemente 37, 39 geht für die von der steile Schaltflanke des sperrenden Schalters verursachten hohen Frequenzanteile gegen Null, so dass die Schaltflanke kaum gemindert auf das Gate des einschaltenden Schalters übertragen wird. Dies gilt umgekehrt entsprechend für die Steuerung des Schalters 25 durch den Schalter 23.
• Die insoweit beschriebene Beleuchtungseinrichtung 10 arbeitet wie folgt: Im Betrieb liefert die Ansteuerschaltung 30 an den Ausgängen 28, 29 die aus 3 ersichtlichen Spannungsimpulsfolgen u28 und u29. Zu Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ wechseln die Spannungen an den Ausgängen 28, 29 jeweils von Null auf irgendeinen geeigneten Wert, wie beispielsweise 6 V, 10 V oder 12 V, und umgekehrt. Die Umschaltzeitpunkte t₁, t₂, t₃ sind für die beiden Impulsfolgen u28, u29 gleich, d.h. während die eine Spannung u28 auf Null fällt, steigt die andere Spannung u29 im gleichen Moment an und umgekehrt. Die Zeitabstände zwischen den einzelnen Umschaltzeitpunkten t₁, t₂, usw. können gering sein und im Bereich von Bruchteilen einer Millisekunde liegen. Sie betragen zum Beispiel 100 µs bis 400 µs.
• Zur Verdeutlichung der Wirkung der beiden Kanäle 33, 34 beschreibt das von oben dritte Diagramm die gegen Masse Gnd zu messende Spannung u auf der stromzuführenden Leitung21, wie sie sich einstellen kann, wenn die Kanäle 33, 34 fehlen. Dazu wird auf 2 Bezug genommen, die sowohl den inneren Aufbau der Stromquelle 22, wie auch das Vorhandensein parasitärer Kapazitäten C_P1, C_P2, C_P3, C_P4 an den MOSFET-Transistoren der Schalter 23 und 25 veranschaulicht. Zum Öffnen und Schließen der Schalter 23, 25 müssen die Gate-Kapazitäten C_P1 bis C_P4 umgeladen werden, was eine gewisse Zeit benötigt. Es ohne die Kanäle 33 34 kann deswegen kurzzeitig ein Zustand auftreten, bei denen einer der Schalter 23, 25 schon geschlossen ist, während der andere der beiden Schalter 23, 25 noch nicht oder noch nicht vollständig leitet. In diesem kurzen, möglicherweise nur einige Nano- oder Mikrosekunden langen Zeitabschnitt, erfolgt keine Stromabnahme von der Leitung 21. Nachdem diese jedoch von der Stromquelle 22 mit einem konstanten Strom gespeist wird, baut sich zu den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ eine nur durch die Streukapazität der Leitung 21 begrenzte Spannung auf. Außerdem entlädt sich der jeweilige Kondensator C₁₁ oder C₁₂ über die parallel geschaltete Last 13, 14, womit die Spannung an der Leitung 35, 36 sehr schnell bis auf die Höhe der sich auf der Leitung 21 aufbauende Spannungsspitze ansteigt. Die an den Leitungen 35, 36 entstehenden Spannungsspitzen haben eine undefinierte Höhe und können wie erläutert zu Zerstörungen an der Beleuchtungseinrichtung 10 führen.
• Dies erschließt sich insbesondere angesichts des inneren Aufbaus der Stromquelle 22. Diese ist eine geregelte Stromquelle, die den von der Beleuchtungseinrichtung 10 abgenommenen Strom durch einen Shunt 43 erfasst und dementsprechend ein Schaltelement 44 eines Abwärtswandlers pulsbreitenmoduliert öffnet und schließt. Dadurch treibt die Spule L einen sägezahnförmigen, im Mittelwert konstanten Strom auf die Leitung 21, und zwar ungeachtet des von der Schaltung 10 abgenommenen Stroms.
• Wenn nun mit Hilfe der Ansteuerschaltung 30 versucht werden soll, weiterhin ohne Vorhandensein der Kanäle 33, 34, ein gleichzeitiges Öffnen und Schließen und bzw. Schließen und Öffnen der Schalter 23, 25 herbeizuführen, etwa durch einen entsprechenden Zeitversatz der Vorder- und Rückflanke der Signale u28 und u29, kann es zu einem weiteren Fehlerszenario kommen, wenn nämlich die beiden Schalter 23, 25 kurzzeitig beide leitend sind. Wie sich in dem vorletzten Diagramm in 3 zeigt, kann der Strom i, der zum Beispiel durch die LEDs 15, 16 der ersten Last 13 fließt, Stromspitzen i_p in genau dem Moment ausbilden, in dem der Schalter 25 sperrt, während die Entkopplungsdiode 20 noch in ihrer Rekombinationsphase ist, in der sie kurzzeitig noch rückwärts leitet. Die auf dem Kondensator C₁₂ gespeicherte Ladung führt in diesem Fall wiederum zu einer Spannungsspitze auf der Leitung 21 und somit zu der Stromspitze i_p an den LEDs 15, 16 was Beschädigungen nach sich ziehen kann. Ein weiteres ohne die Kanäle 33, 34 anzutreffendes Szenario ist gegeben, wenn beide Schalter 23, 25 im Umschaltmoment kurzzeitig gleichzeitig leiten. Wegen der endlichen Recovery-Zeit der Dioden 19, 20 leiten im Umschaltmoment beide, d.h. die sperrende Diode sperrt mit gewisser Verzögerung. Deswegen trifft der geladene Pufferkondensator, z.B. C₁₁, wenn der Schaltungszweig 11 eingeschaltet war, auf den entladenen Kondensator C₁₂ des einschaltenden Schaltungszweigs 12. Es entsteht ein kurzzeitiger Ausgleichsstrom, der unkontrolliert hohe Werte annehmen und so zum vorzeitigen Verschleiß oder Ausfall der Beleuchtungseinrichtung 10 führen kann.
• Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10 sind aber die Kanäle 33, 34 vorhanden, die das Öffnen eines Schalters 23, 25 von dem Schließen des jeweils anderen Schalters 25, 23 abhängig machen. Zur Verdeutlichung wird im Weiteren das Ausschalten des Schalters 23 und das Einschalten des Schalters 25 zu dem Zeitpunkt t₁ betrachtetet:
• Zu dem Umschaltzeitpunkt t₁ hat das Signal u28 seine Rückflanke, d.h. die Spannung an dem Ausgang 28 wechselt auf Null. Damit beginnt die Spannung an dem Gate des Schalters 23 gebremst durch die Gate-Kapazitäten C_P1 und C_P2 zu sinken. Zeitgleich springt die Spannung an dem Ausgang 29 der Ansteuerschaltung 30 von 0 auf ihren eingeschalteten Wert, d.h. das Signal u29 hat bei t₁ seine Vorderflanke. Hiermit beginnt die Spannung an dem Gate des Schalters 25 gebremst durch die parasitäre Kapazität C_P4 und gegengekoppelt durch die parasitäre Kapazität C_P4 anzusteigen. Die Widerstände 31, 32 begrenzen dabei die Ladeströme der Kapazitäten C_P1 bis C_P4. Sobald aber die Gate-Spannung des Schalters 25 einen Schwellwert erreicht, beginnt der Schalter 25 zu öffnen und somit das Potential an seinem Source-Anschluss (Schaltungspunkt 45) abzufallen. Die sich ergebende Spannungsflanke wird über den Kanal 34, d.h. den Kondensator 40 und den Widerstand 41 auf das Gate des Schalters 23 gegeben, womit das Umladen der parasitären Kapazitäten C_P1 und C_P2 wesentlich beschleunigt und somit die Spannung des Gates sofort auf Null oder auf leicht negative Werte gedrückt wird. Damit wird sichergestellt, dass der Schalter 23 genau in dem Moment abschaltet, zu dem der Schalter 25 zu leiten beginnt.
• Das Einschalten des Schalters 23 und Ausschalten des Schalters 25 erfolgt auf entsprechende Weise unter positivrückkoppelnder Wirkung des Kanals 33. Die Kanäle 33, 34 können als Mitkopplungskanäle angesehen werden, über die sowohl ausgeschlossen wird, dass die Schalter 23, 25 auch nur kurzzeitig gemeinsam leiten oder auch nur kurzzeitig zugleich sperren. Dies gilt für einen weiten Temperaturbereich unabhängig von Bauelementestreuungen, d.h. Exemplarstreuungen der Schalter 23, 25 oder sonstiger Streuungen der charakteristischen Werte der verwendeten Bauelemente. Infolge dessen ist die Spannung u, wie in 3 im letzten Diagramm dargestellt ist, an der Leitung 21 konstant. Spannungsspitzen wegen gleichzeitigen Sperrens beider Schaltungszweige 11, 12 fehlen ebenso wie Stromspitzen i_p an den Lasten 13, 14.
• Das vorliegende Konzept ist nicht auf Schaltungen mit zwei Zweigen begrenzt. Wie 4 veranschaulicht kann die Beleuchtungseinrichtung 10 auch drei oder mehr Zweige 11, 12, 46 aufweisen. Die Zweige 11, 12, 46 sind vorzugsweise untereinander gleich aufgebaut, wobei die Lasten 13, 14, 47 aus unterschiedlichen LEDs mit unterschiedlicher Lichtfarbe bestehen können, so dass die Beleuchtungseinrichtung 10 Licht mit unterschiedlichen Weißtönen oder unterschiedlichen Farben abgeben kann. Wiederum sind die Schaltungszweige 11, 12, 46 vorzugsweise über Entkopplungsdioden 19, 20, 48 an die Leitung 21 angeschlossen die von der Stromquelle 22 gespeist wird. In allen drei Schaltungszweigen 11, 12, 46 sind Schalter 23, 25, 49 angeordnet, die über Widerstände 31, 32, 50 von entsprechenden Ausgängen 28, 29, 51 der Ansteuerschaltung 30 gesteuert sind. Zwischen dem ersten Schaltungszweig 11 an dem zweiten Schaltungszweig 12 sind wiederum die Kanäle 33, 34 wirksam. Zusätzlich führt ein entsprechender Kanal 52 von dem ersten Schaltungszweig 11 zu dem Gate des Schalters 49 des dritten Schaltungszweigs 46. Von dem zweiten Schaltungszeig 12 führt ebenfalls ein Kanal 53 zu dem Gate des Schalters 49 des dritten Schaltungszweigs. Umgekehrt steuert der dritte Schaltungszweig 46 über einen Kanal 54, das Gate des Schalters 23 und über einen Kanal 55 das Gate des Schalters 25 des zweiten Schaltungszweigs 12.
• Bei einer Beleuchtungseinrichtung 10 mit mehreren Schaltungszweigen 11, 12, 46 steuert jeder Schaltungszweig 11, 12 oder 46 über entsprechende Kanäle 33, 34 sowie 52 bis 55 die Steuereingänge der Schalter der jeweils anderen Schaltungszweige.
• Die von der Ansteuerschaltung gesteuerten Schalter 23, 25, 49 der Schaltungszweige 11, 12, 46 sind durch die Kanäle 33, 34 sowie 52 bis 55 leicht mitgekoppelt, so dass sie einen von der Ansteuerschaltung 30 synchronisierten astabilen Multivibrator bilden. Die Widerstände 31, 32, 50 sind dabei aber so niederohmig bemessen, dass ein freies Schwingen ohne Taktvorgabe der Ansteuerschaltung 30 unterbleibt. Unabhängig von der Anzahl der Schaltungszweige gilt also, dass das synchronisierte Umschalten der Schalter durch die mitkoppelnden Kanäle 33, 34, 52 - 55 gesteuert wird, während die Ansteuerschaltung 30 den Takt und die jeweils gegebenen Einschaltdauern der Schaltungszweige 11, 12, 46 im Rahmen der PWM-Steuerung vorgibt.
• Eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 10 weist eine Umschalteinrichtung auf, mit der Schaltungszweige 11, 12, in denen LED-Bauelemente 15, 16, 17, 18 angeordnet sind, zeitlich ohne Lücken und nicht überlappend alternierend ein- und ausgeschaltet werden. Entsprechende Schalter 23, 25 der beiden Schaltungszweige 11, 12 arbeiten dabei mit gegenseitiger positiver Rückkopplung, wodurch das Einschalten eines Schalters genau zeitgleich mit dem Ausschalten des anderen Schalters erfolgt und umgekehrt. Schädliche Spannungs- oder Stromspitzen in oder an der Beleuchtungseinrichtung können somit sicher ausgeschlossen werden.
• Bezugszeichenliste

10

Beleuchtungseinrichtung

11

erster Schaltungszweig

12

zweiter Schaltungszweig

13

erste Last

14

zweite Last

15, 16

LEDs des ersten Schaltungszweigs

17, 18

LEDs des zweiten Schaltungszweigs

19

Entkopplungsdiode des ersten Schaltungszweigs

20

Entkopplungsdiode des zweiten Schaltungszweigs

21

stromzuführende Leitung

22

Stromquelle

23

erster Schalter

Gnd

Massepotential

24

Masseleitung

25

zweiter Schalter

26

erster Steuereingang

27

zweiter Steuereingang

28

erster Ausgang der Ansteuerschaltung 30

29

zweiter Ausgang der Ansteuerschaltung 30

30

Ansteuerschaltung

31

erstes impedanzbehaftetes Bauelement

32

zweites impedanzbehaftetes Bauelement

33

erster Kanal

34

zweiter Kanal

35

Leitung zwischen Last 13 und Schalter 23

36

Leitung zwischen Last 14 und Schalter 25

37

impedanzbehaftetes Element

38

Kondensator

39

impedanzbehaftetes Element

40

Kondensator

41

Widerstand

42

Widerstand

Cp1 ... Cp4

parasitäre Kapazitäten

43

Shunt

44

Schaltelement

L

Spule

ip

Stromspitzen

45

Schaltungspunkt

46

dritter Zweig

47

Last des dritten Schaltungszweigs

48

Entkopplungsdiode

49

Schalter des dritten Schaltungszweigs

50

Widerstand

51

Ausgang der Ansteuerschaltung 30

52 ... 55

Kanäle

Claims (13)

1. Beleuchtungseinrichtung mit einer Umschalteinrichtung mit einem ersten Schaltungszweig (11), der einen ersten gesteuerten Schalter (23) zum Freigeben und Sperren eines Stroms durch eine an den ersten Schalter (23) angeschlossene oder anschließbare erste Last (13) aufweist, wobei der erste gesteuerte Schalter (23) einen ersten Steuereingang (26) aufweist, mit wenigstens einem zweiten Schaltungszweig (12), der einen zweiten gesteuerten Schalter (25) zum Freigeben und Sperren eines Stroms durch eine an den zweiten Schalter (25) anschließbare oder angeschlossene zweite Last (14) aufweist, wobei der zweite gesteuerte Schalter (25) einen zweiten Steuereingang (27) aufweist, mit einer Ansteuerschaltung (30), die einen ersten Ausgang (28), der mit dem ersten Steuereingang (26) verbunden ist, und einen zweiten Ausgang (29) aufweist, der mit dem zweiten Steuereingang (27) verbunden ist, mit einem ersten Kanal (33), über den der erste Schalter (23) und die erste Last (13) des ersten Schaltungszweigs (11) mit dem Steuereingang (27) jedes anderen Schaltungszweigs (12) verbunden sind, mit einem zweiten Kanal (34), über den der zweite Schalter (25) und die zweite Last (14) des zweiten Schaltungszweigs (12) mit dem Steuereingang (26) jedes anderen Schaltungszweigs (11) verbunden sind.
2. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Last (13) und der zweiten Last (14) Dioden (19, 20) vorgeschaltet sind.
3. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Last (13) und der zweiten Last (14) Kondensatoren (C₁₁, C₁₂) parallel geschaltet sind.
4. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (23, 25) invertierende Verstärkerbauelemente sind.
5. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (23, 25) Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren sind.
6. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Schaltungszweige (11, 12) parallel zueinander geschaltet sind.
7. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Schaltungszweige (11, 12) an eine gemeinsame Quelle (22) angeschlossen sind, die darauf eingerichtet ist, die Schaltungszweige (11, 12) mit einem vorgegebenen Strom zu versorgen.
8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (22) eine Stromquellenschaltung ist.
9. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (33) und der zweite Kanal (34) jeweils ein kapazitives Bauelement (38, 40) enthalten.
10. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (33) und der zweite Kanal (34) jeweils ein resistives Bauelement (42, 41) enthalten.
11. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Steuereingang (26) und dem ersten Ausgang (28) sowie zwischen dem zweiten Steuereingang (27) und dem zweiten Ausgang (29) jeweils ein impedanzbehaftetes Bauelement (31, 32) angeordnet ist.
12. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung derart ausgebildet ist, dass sie an den beiden Ausgängen (28, 29) zueinander inverse Impulsfolgen bereitstellt.
13. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Last (13) und die zweite Last (14) jeweils LED-Lichtquellen sind.

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