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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Ansteuerung von LEDs, insbesondere Ausführungsformen eines Schaltkreises zur Ansteuerung von in einem Lastpfad seriell verschalteten LEDs sowie Ausführungsformen eines Verfahrens zum Betreiben eines solches Schaltkreises. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter Ausführungsformen eines Scheinwerfers zur Beleuchtung einer Film-, Studio-, Bühnen-, Event- und/oder Theaterumgebung, wobei der Scheinwerfer wenigstens einen Lastpfad mit seriell verschalteten LEDs sowie einen daran gekoppelten Schaltkreis zur Ansteuerung der LEDs umfasst.
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HINTERGRUND
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Für die Beleuchtung einer Film-, Studio-, Bühnen-, Event- und/oder Theaterumgebung werden Scheinwerfer eingesetzt. Mitunter ist es wünschenswert, dass ein eine Lichtquellenanordnung umfassender Scheinwerfer eine ausreichende Lichtausbeute bereitstellt und weiteren Anforderungen, wie sie für eine Film-, Studio-, Bühnen-, Event- und/oder Theaterumgebung üblich sind, genügt. Derartige Anforderungen umfassen beispielsweise einen Dauerbetrieb über mehrere Stunden, einen weiten Verstellbereich eines Streuwinkels, ein homogenes, weich auslaufendes Lichtfeld, und/oder in einer sog. Flood-Einstellung eine harte Lichtquelle sowie in einer sog. Spot-Einstellung eine weiche Lichtquelle.
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Anstelle von herkömmlichen Lichtquellen, wie beispielsweise Glühbirnen oder Gasentladungslampen, werden zunehmend lichterzeugende Baugruppen mit einer LED-Anordnung eingesetzt. Dabei können mehrere LEDs auf einem Träger angeordnet werden, und das von diesen LEDs produzierte Licht kann optisch weiterverarbeitet werden, um einen Scheinwerfer mit bestimmten Eigenschaften bereitzustellen. Die Anordnung der LEDs kann gemäß einem Muster erfolgen. Beispielsweise bilden seriell verschaltete LEDs eines gleichen Typs einen Lastpfad aus, wobei auf dem Träger mehrere Lastpfade vorgesehen sein können, die entweder parallel zueinander verschaltet sind oder unabhängig voneinander angesteuert werden.
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Einige der o.g. Parameter des Scheinwerfers werden zumindest nicht ausschließlich durch Ausrichten/Einstellen der optischen Elemente des Scheinwerfers eingestellt, sondern auch oder allein durch ein entsprechendes Ansteuern der LEDs.
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Beispielhafte LED-Ansteuerungen sind aus den Druckschriften
US 2007/0262724 A1 ,
US 2012/0181940 A1 ,
US 2010/0315016 A1 ,
US 2012/0146533 A1 und
EP 2 322 017 B1 bekannt.
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Gelegentlich soll mit Hilfe einer geeigneten Ansteuerung eine Dimming-Funktion umgesetzt werden. Dabei kann es wünschenswert sein, dass eine Verschiebung der dominanten Wellenlänge der betreffenden LEDs vermieden wird. Hierzu kann z.B. eine Ansteuerung der LEDs mittels eines Pulsweitenmodulationsverfahrens (PWM-Verfahren) zweckmäßig sein.
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Bei Einsatz von LED-basierten Scheinwerfern zur Beleuchtung einer Film-, Studio-, Bühnen-, Event- und/oder Theaterumgebung kann es weiter zweckmäßig sein, dass die Grundfrequenz einer PWM-Ansteuerung höher ist als eine Bildfrequenz einer Kamera, die zur Aufnahme der durch den LED-Scheinwerfer beleuchteten Umgebung vorgesehen ist. Auf diese Weise können sog. Schwebungseffekte und unerwünschte Belichtungsschwankungen vermieden werden.
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Es ist weiter eine Ansteuerung von LEDs bekannt, die auf einer Hysterese-Regelung basiert, gemäß der Strom innerhalb eines definierten Hysterese-Bands entweder zunimmt oder abnimmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mit Blick auf die Anforderungen an einen Scheinwerfer zur Beleuchtung einer Film-, Studio-, Bühnen-, Event- und/oder Theaterumgebung verbesserte LED-Ansteuerung vorzuschlagen.
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BESCHREIBUNG
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Schaltkreis zur Ansteuerung von in einem Lastpfad seriell verschalteten LEDs durch Bereitstellung eines aus einer Leistungsquelle abgeleiteten Leistungssignals am Lastpfad vorgeschlagen. Der Schaltkreis umfasst: einen Leistungsteilschaltkreis, der zur Ausgabe eines Stroms ausgebildet ist, wobei der Leistungsteilschaltkreis zur Einstellung des Stroms ein erstes Schaltelement umfasst; einen Filterteilschaltkreis variabler Impedanz, der zur Filterung des Stroms und zur Bereitstellung des gefilterten Stroms als Leistungssignal am Lastpfad ausgebildet ist, wobei der Filterteilschaltkreis zur Einstellung der Impedanz ein drittes Schaltelement umfasst; einen Bypassteilschaltkreis mit einem ersten Bypasspfad, der das Leistungssignal empfängt und ein erstes Lastelement aufweist, wobei der Bypassteilschaltkreis zur wahlweisen Zuschaltung des ersten Lastelements ein fünftes Schaltelement umfasst; und einen Controller, der ausgebildet ist, innerhalb einer vorgegebenen Schaltperiode mindestens eine von Schaltoperationen des ersten, dritten und fünften Schaltelements zu steuern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Scheinwerfer (beispielsweise zur Beleuchtung einer Film-, Studio-, Bühnen-, Event- und/oder Theaterumgebung vorgeschlagen), wobei der Scheinwerfer wenigstens einen Lastpfad mit wenigstens einer LEDs und einen daran gekoppelten Schaltkreis umfasst, wobei der Schaltkreis wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist.
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Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltkreises vorgeschlagen. Der Schaltkreis ist zur Ansteuerung von in einem Lastpfad seriell verschalteten LEDs durch Bereitstellung eines aus einer Leistungsquelle abgeleiteten Leistungssignals am Lastpfad ausgebildet und umfasst: einen Leistungsteilschaltkreis, der zur Ausgabe eines Stroms ausgebildet ist, wobei der Leistungsteilschaltkreis zur Einstellung des Stroms ein erstes Schaltelement umfasst; einen Filterteilschaltkreis variabler Impedanz, der zur Filterung des Stroms und zur Bereitstellung des gefilterten Stroms als Leistungssignal am Lastpfad ausgebildet ist, wobei der Filterteilschaltkreis zur Einstellung der Impedanz ein drittes Schaltelement umfasst; einen Bypassteilschaltkreis mit einem ersten Bypasspfad, der das Leistungssignal empfängt und ein erstes Lastelement aufweist, wobei der Bypassteilschaltkreis zur wahlweisen Zuschaltung des ersten Lastelements ein fünftes Schaltelement umfasst. Das Verfahren umfasst: Steuern mindestens einer von Schaltoperationen des ersten, dritten und fünften Schaltelements innerhalb einer vorgegebenen Schaltperiode.
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Weitere Merkmale und Vorteile werden dem Fachmann in Anbetracht des Studiums der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie des Sichtens der begleitenden Zeichnungen deutlich.
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Figurenliste
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Die in den Figuren gezeigten Teile sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; vielmehr liegt die Betonung in dem Darstellen von Prinzipien der Erfindung. Ferner bezeichnen in den Figuren gleich Bezugszeichen einander entsprechende Teile. In den Figuren zeigen:
- 1 und 2 jeweils schematisch und exemplarisch ein Schaltdiagramm eines Schaltkreises gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 3 und 4 jeweils schematisch und exemplarisch ein Schaltablaufdiagramm eines Schaltkreises gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
- 5 schematisch und exemplarisch ein Blockschaltbild eines Scheinwerfers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die dazugehören und in denen durch die Veranschaulichung spezifischer Ausführungsformen gezeigt wird, wie die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann.
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In diesem Zusammenhang kann richtungsangebende Terminologie, wie beispielsweise „ober-“, „unter-“, „rück-“, „vorder-“, „hinter-“, „nachgelagert“, „vorgelagert“ etc., mit Bezug auf die Ausrichtung der Figuren, die beschrieben werden, verwendet werden. Weiter können Begriffe wie „vor“, „nach“ oder „hinter“ die Anordnung von Bauteilen in Bezug auf die Richtung der Lichtstrahlen bezeichnen. Da Teile von Ausführungsformen in einer Reihe von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sein können, kann die richtungsangebende Terminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet werden und ist keinesfalls einschränkend. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsformen angewandt werden können und strukturelle oder logische Veränderungen ausgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die angefügten Ansprüche definiert.
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Bezug wird nunmehr im Detail auf verschiedene Ausführungsformen und auf ein oder mehrere Beispiele, die in den Figuren veranschaulicht sind, genommen. Jedes Beispiel wird in erläuternder Art und Weise präsentiert und ist nicht als eine Einschränkung der Erfindung zu deuten. Beispielsweise können veranschaulichte oder als Teil einer Ausführungsform beschriebene Merkmale auf oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen angewandt werden, um noch eine weitere Ausführungsform hervorzubringen. Dass die vorliegende Erfindung derartige Modifizierungen und Variationen umfasst, ist beabsichtigt. Die Beispiele werden unter Anwendung einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Schutzumfang der angefügten Ansprüche einschränkend ausgelegt werden sollte. Die Zeichnungen sind keine maßstabgetreue Wiedergabe und dienen lediglich der Veranschaulichung. Zum besseren Verständnis sind, wenn nicht anders angegeben, dieselben Elemente durch dieselben Referenzen in den verschiedenen Zeichnungen gekennzeichnet worden.
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Die 1 zeigt einen Schaltkreis 100 zur Ansteuerung von in einem Lastpfad 200 seriell verschalteten LEDs 200i, 200n durch Bereitstellung eines aus einer Leistungsquelle 300 abgeleiteten Leistungssignals (in den 3 und 4 mit „PS“ bezeichnet).
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Der Lastpfad 200 kann bei einer Ausführungsform einen Teil des Schaltkreises 100 bilden. Es können auch mehrere Lastpfade 200 vorgesehen sein, die beispielsweise parallel zueinander verschaltet sind. Der (bzw. jeder) Lastpfad 200 enthält z.B. mindestens zwei seriell verschaltete LEDs 200i, 200n. Der hier beschriebene Schaltkreis 100 ist aber auch ausgebildet, einen Lastpfad mit nur einer einzigen LED 200i zu steuern. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Lastpfade beschränkt, die eine Vielzahl von LEDs umfassen.
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In einem Lastpfad können bis z.B. zu 100 LEDs seriell verschaltet sein. Gemäß einer Ausführungsform sind alle LEDs 200i, 200n des Lastpfads 200 identisch zueinander ausgebildet, wobei, wie gesagt, der Lastpfad 200 gemäß einer Ausführungsform auch nur eine einzige LED 200i umfassen kann.
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Der Begriff LED wird vorliegend gemäß seiner typischen Bedeutung verwendet. Er bezeichnet also eine Light-Emitting-Diode oder eine Verschaltung einzelner LED Elemente zu einem LED-Modul. Üblicherweise hat eine LED einen Leistungseingang und einen Leistungsausgang, z.B. einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss. Eine Anordnung aus seriell verschalteten LEDs meint also, dass zum Beispiel die erste LED 200i über ihren Leistungseingang (Anodenanschluss) an einem Eingang 201 des Lastpfads 200 angeschlossen ist und über ihren Leistungsausgang (Kathodenanschluss) an den Leistungseingang (Anodenanschluss) der nächsten (hier nicht dargestellten LED 200i+1). Die letzte LED 200n ist über ihren Leistungseingang (Anodenanschluss) an den Leistungsausgang (Kathodenanschluss) der vorletzten (bzw. ersten) LED 200n-1 angeschlossen und über ihren Leistungsausgang (Kathodenanschluss) an einen Ausgang 202 des Lastpfads 200. Die serielle Verschaltung kann bspw. mittels Leiterbahnen einer Leiterplatine erfolgen. Die Verschaltung kann gemäß einer anderen Ausführungsform auf einem Keramiksubstrat oder über ein Halbleitersubstrat erfolgen. Ein Vorteil der dargestellten Anordnung umfasst z.B. die Möglichkeit einer schnellen Ausregelung trotz der parasitären Induktivitäten der LED Verschaltung.
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Bei der Leistungsquelle 300 handelt es sich beispielsweise um eine Konstantspannungsquelle, die ein Ausgangssignal in Gestalt einer Ausgangsspannung im Bereich von 3 V bis 400 V, typischerweise im Bereich von 48 V bis 60 V ausgibt. Auch die Leistungsquelle 300 kann bei einer Ausführungsform einen Teil des Schaltkreises 100 bilden. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der Schaltkreis 100 die Leistungsquelle 300 nicht, sondern empfängt lediglich das von ihr bereitgestellte Signal. Die Leistungsquelle 300 kann aber teilweise im Schaltkreis integriert sind. Es liegt bspw. im Rahmen der Erfindung, dass der Schaltkreis 100 leistungselektronische Komponenten umfasst, die ein Netzsignal in ein gesteuerte/geregeltes Ausgangssignal wandeln und als Ausgangssignal der Leistungsquelle 300 bereitstellen. Zum Beispiel umfasst der Schaltkreis 100 einen leistungselektronischen Gleichrichter, der einen Teil der Leistungsquelle 300 bildet.
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Der Schaltkreis 100 umfasst zur Ableitung eines Leistungssignals (für den Lastpfad 200) aus dem Ausgangssignal der Leistungsquelle 300 drei Teilschaltkreise 110, 120 und 130, sowie einen Controller 190, der ausgebildet sein kann, den Betrieb der drei Teilschaltkreise 110, 120 und 130 zu steuern, bspw. wenigstens des zweiten und des dritten Teilschaltkreises 120, 130.
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Über ein Eingangssteuersignal 1900 wird dem Controller 190 beispielsweise mitgeteilt, innerhalb welcher Schaltperiode Schaltoperationen in dem ersten und in dem dritten Teilschaltkreis 120 und 130 zu erfolgen haben und/oder eine Sollvorgabe betreffend die von den LEDs 200i-n ausgegebene Lichtstärke. Diese Sollvorgabe umfasst beispielsweise in einem PWM-Wert, der zwischen 0 (Lichtstärke gleich null) und 1 (maximale Lichtstärke) liegt, codiert, was weiter unten noch näher erläutert werden wird.
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Bei einer Ausführungsform enthält das Eingangssteuersignal 1900 eine Angabe einer vorgegebenen Schaltperiode, die für den dritten Teilschaltkreis 130 maßgeblich ist. Beispielsweise gibt das Eingangssteuersignal 1900 eine feste Schaltperiode bzw. Schaltfrequenz für den dritten Teilschaltkreis 130 vor, was weiter unten noch näher ausgeführt werden wird.
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Der erste Teilschaltkreis 110 ist ein Leistungsteilschaltkreis, der zweite Teilschaltkreis 120 ein Filterteilschaltkreis, und bei dem dritten Teilschaltkreis 130 handelt es sich um einen Bypassteilschaltkreis. Im Folgenden wird kurz auf beispielhafte strukturelle und funktionelle Ausbildungen dieser Teilschaltkreise 110, 120 und 130 eingegangen werden, wobei alle Teilschaltkreise dazu dienen, aus dem Ausgangssignal der Leistungsquelle 300 ein geeignetes Leistungssignal für den Lastpfad 200 abzuleiten.
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Der Leistungsteilschaltkreis 110 ist zum Empfangen des Ausgangssignals der Leistungsquelle 300 und zur Ausgabe eines Stroms ausgebildet, wobei der Leistungsteilschaltkreis 110 zur Einstellung des Stroms ein erstes Schaltelement 111 (S1) umfasst. Eingangsseitig ist der Leistungsteilschaltkreis 110 an die Leistungsquelle 300 gekoppelt und empfängt von der Leistungsquelle 300 beispielsweise ein Konstantspannungssignal. Das Ausgangssignal der Leistungsquelle 300 ist dem ersten Schaltelement 111 zugeführt. Das erste Schaltelement 111 ist an eine erste Spule 117 (L1) gekoppelt und gibt beispielsweise über diese erste Spule 117 den Strom aus.
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Der Leistungsteilschaltkreis 110 kann ausgebildet sein, eine Hysterese-Reglung umzusetzen und den Strom somit als Hysterese-modulierten Strom auszugeben. Im Folgenden wird stets von dieser beispielhaften Ausführungsform ausgegangen werden, wobei gemäß anderen Ausführungsformen auch ein anderes Steuerungsverfahren oder Reglungsverfahren von dem Leistungsteilschaltkreis 110 umgesetzt werden kann. Beispielsweise kann der Leistungsteilschaltkreis 110 ein Steuerungsverfahren oder Reglungsverfahren eines DC/DC Wandlers umsetzen und einen entsprechend gesteuerten/geregelten Strom ausgeben.
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Der Leistungsteilschaltkreis 110 kann außerdem ein zweites Schaltelement 112 (S2) umfassen, welches den Pfad zwischen dem ersten Schaltelement 111 und der ersten Spule 117 auf Masse koppelt. Die Induktivität der ersten Spule 117 liegt beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 500 µH, wobei die genaue Dimensionierung von der Anzahl der LEDs 200i-n und/oder von der gewünschten Stromhöhe abhängen kann.
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Gemäß einer einfachen Ausführungsform ist das zweite Schaltelement 112 durch eine Diode ersetzt, was den Steueraufwand insgesamt etwas reduziert, jedoch auch den Wirkungsgrad des Schaltkreises 100.
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Der Leistungsteilschaltkreis 110 kann weiter Mittel 118 umfassen, die zur Bereitstellung eines Messwerts 1180 ausgebildet sind, wobei der Messwert 1180 indikativ für das aktuelle Leistungssignal (beispielsweise der Strom, der aktuell im Lastpfad 200 fließt) ist. Die Mittel 118 sind beispielsweise als ein Mess-Shunt ausgebildet, der den Ausgang 202 des Lastpfads 200 auf Masse koppelt. Die über diesen Mess-Shunt abfallende Spannung bildet den Messwert 1180. Die Bereitstellung des Messwerts 1180 kann bei einer anderen Ausführungsform durch anders ausgebildete Mittel 118 erfolgen, bspw. mittels einer Rogowski-Spule, einem Hall-Sensor, einem LEM-Wandler etc.. Vorteilhaft können insbesondere solche Ausbildungen des Mittels 118 sein, die eine gleichanteilsfreie Messung ermöglichen.
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Wie schematisch dargestellt, umfasst der Leistungsteilschaltkreis 110 bei der beispielhaften Ausführungsform einen Hysterese-Regler 119, der in Abhängigkeit von dem Messwert 1180 (und ggf. in Abhängigkeit von einem von dem Controller 190 ausgegebenen Hysterese-Ansteuersignal 191, dazu sogleich) für das erste Schaltelement 111 ein erstes Ansteuersignal 1911 und für das zweite Schaltelement 112 ein zweites Ansteuersignal 1912 bereitstellt.
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Zum Beispiel werden die beiden Schaltelemente 111 und 112 basierend auf den Ansteuersignalen 1911 und 1912 im Wesentlichen komplementär zueinander geschaltet; d.h. zu einem beliebigen Zeitpunkt ist stets nur eines dieser beiden Schaltelemente 111 und 112 geschlossen (eingeschaltet/leitfähig).
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Hysterese-Regler 119 hinsichtlich der Hysterese (beispielsweise hinsichtlich des Hysterese-Bands, innerhalb der sich der Hysterese-modulierte Strom bewegt) einstellbar.
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Beispielsweise ist der Controller 190 ausgebildet, durch Bereitstellung des Hysterese-Ansteuersignals 191 den Hysterese-Regler 119 zumindest zu aktivieren und zu deaktivieren, und bspw. darüber hinaus, hinsichtlich der Hysterese einzustellen.
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Beispielsweise kann der Leistungsteilschaltkreis durch Ausgabe des Signals Hysterese-Ansteuersignals 191 innerhalb der vorgegebenen Schaltperiode aktiviert und deaktiviert werden. Eine erstmalige Aktivierung innerhalb der vorgegebenen Schaltperiode löst beispielsweise ein erstmaliges Einschalten des ersten Schaltelements 111 (innerhalb der vorgegebenen Schaltperiode) aus.
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Die Einstellung der Hysterese durch das Hysterese-Ansteuersignals 191 erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit des Betriebszustands der LEDs 200i, 200n, beispielsweise in Abhängigkeit davon, ob die LEDs 200i, 200n ein-oder ausgeschaltet sind. Wie weiter unten stehend noch näher ausgeführt wird, können die LEDs 200i-n beispielsweise über den dritten Teilschaltkreis 130, der ein Bypassteilschaltkreis ist, ein-oder ausgeschaltet werden.
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Durch den Leistungsteilschaltkreis 110 wird also gemäß der hier dargestellten Ausführungsform ein Hysterese-modulierter Strom ausgegeben, der innerhalb eines (bspw. durch das Signal 191) definierten Hysterese-Bands entweder ansteigt (erstes Schaltelement 111 geschlossen) oder abfällt (erstes Schaltelement 111 geöffnet). Das Hysterese-Band wird beispielsweise durch das Hysterese-Ansteuersignal 191 vorgegeben. Dadurch, dass der Controller 190 mittels des Hysterese-Ansteuersignals 191 Eingriff auf die Umsetzung der Hysterese-Regelung nimmt, steuert der Controller 190 zumindest mittelbar das erste und das zweite Schaltelement 111 und 112.
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Dem Leistungsteilschaltkreis 110 nachgeschaltet ist der Filterteilschaltkreis 120 variabler Impedanz, der zur Filterung des (beispielsweise Hysterese-modulierten) Stroms und zur Bereitstellung des gefilterten, Hysterese-modulierten Stroms als Leistungssignal (PS) am Lastpfad 200 ausgebildet ist, wobei der Filterteilschaltkreis 120 zur Einstellung seiner Impedanz ein drittes Schaltelement 123 (S3) umfasst. Beispielsweise umfasst der Filterschaltkreis 120 eine zweite Spule 127 (L2) und einen Kondensator 128 (C1). Die zweite Spule 127 koppelt die erste Spule 117 des Leistungsteilschaltkreises 110 an den Eingang 201 des Lastpfads 200. Das dritte Schaltelement 123 und der Kondensator 128 sind seriell miteinander verschaltet und koppeln die erste Spule 117 des Leistungsteilschaltkreises 110 an den Ausgang 202 des Lastpfads 200. Mittels Durchführen von Schaltoperationen durch das dritte Schaltelement 123 kann die Impedanz des Filterschaltkreises 120 variabel verändert und eingestellt werden.
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Der Controller 190 ist zum Beispiel ausgebildet, ein Filtersteuersignal 193 an das dritte Schaltelement 123 auszugeben und so die Schaltoperationen des dritten Schaltelements 123 zu steuern. Hierdurch ändert sich die Impedanz des Filterteilschaltkreises 120.
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Die Induktivität der zweiten Spule 127 ist beispielsweise geringer als die Induktivität der ersten Spule 117, beispielsweise etwa halb so groß. Die Kapazität des Kondensators 128 wird beispielsweise in Abhängigkeit von der erforderlichen Spannungsfestigkeit gewählt. Gemäß einer Ausführungsform kann der Kondensator 128 auch eine serielle Kapazität ausbilden, um unerwünschte Resonanzen zu verhindern.
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Der Schaltkreis 100 umfasst weiter einen Bypassteilschaltkreis 130 mit einem ersten Bypasspfad 131, der das Leistungssignal (PS) empfängt und ein erstes Lastelement 137 (D3) aufweist, wobei der Bypassteilschaltkreis 130 zur wahlweisen Zuschaltung des ersten Lastelements 137 ein fünftes Schaltelement 135 (S5) umfasst.
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Der erste Bypasspfad 131 ist zum Beispiel zum Lastpfad 200 parallel geschaltet, wenn das fünfte Schaltelement 135 geschlossen ist. Ist das fünfte Schaltelement 135 geöffnet (sperrend), so ist der gesamte Bypassteilschaltkreis 130 nicht aktiv, also ohne Einfluss auf das Leistungssignal im Lastpfad 200.
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Zur Steuerung der Schaltoperationen des fünften Schaltelements 135 gibt der Controller 190 beispielsweise ein Bypassansteuersignal 195 an das fünfte Schaltelement 135 aus. Der Bypassteilschaltkreis 130 dient beispielsweise der Umsetzung einer Dimming-Funktion. Zum Beispiel erhöht sich die Dauer der effektiven Parallelschaltung pro Schaltperiode, wenn eine Abnahme der von den LEDs 200i-n abgegebenen Lichtstärke gewünscht ist. Die Dauer der effektiven Parallelschaltung pro Schaltperiode sinkt indessen, wenn eine Zunahme der Lichtstärke gewünscht ist.
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Bei einer Ausführungsform wird die Dauer der effektiven Parallelschaltung, die bestimmt wird durch die Dauer der Einschaltung des fünften Schaltelements 135, vorgegeben durch das Eingangssteuersignal 1900. Zur Umsetzung der Dimming-Funktion wird also der Lastpfad 200 nicht etwa kurzgeschlossen, sondern zumindest das erste Lastelement 137 parallel zum Lastpfad geschaltet. Ein Teil des Leistungssignals, mitunter der überwiegende Teil des Leistungssignals, fließt dann durch den ersten Bypasspfad 131.
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Der Bypassteilschaltkreis 130 kann, wie dargestellt, außerdem einen zweiten Bypasspfad 132 umfassen, der das Ausgangssignal der Leistungsquelle 300 empfängt und ein zweites Lastelement 138 umfasst, wobei der Bypassteilschaltkreis 130 zur wahlweisen Zuschaltung des zweiten Lastelements 138 ein viertes Schaltelement 134 umfasst. Dem vierten Schaltelement 134 gibt der Controller 190 beispielsweise ein zweites Bypassansteuersignal 194 aus und steuert damit die Schaltoperationen des vierten Schaltelements 134.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Schaltelemente 134 und 135 komplementär zueinander geschaltet, beispielsweise bei einer möglichst geringen Totzeit. Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, das fünfte Schaltelement 135 mit einer vergleichsweise hohen Schaltfrequenz zu schalten. Gemäß einer Ausführungsform sind also die beiden Schaltelemente 134 und 135 nie gleichzeitig geschlossen; zu einem beliebigen Zeitpunkt des Betriebs des Schaltkreises 100 ist beispielsweise höchstens entweder das vierte Schaltelement 134 oder das fünfte Schaltelement 135 geschlossen.
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Das erste Lastelement 137 umfasst oder ist bei einer Ausführungsform eine Diode (D3) oder eine serielle Verschaltung von Dioden. Die Diode(n) 137 ist/sind dabei, wie dargestellt, in dieselbe Flussrichtung geschaltet wie die Dioden 200i-n des Lastpfads 200. Zum Beispiel ist das erste Lastelement 137 eine Diode, die eine möglichst geringe parasitäre Kapazität und ein sehr gut ausgebildetes Reverse-Recovery-Verhalten aufweist; zum Beispiel handelt es sich bei der Diode um Schottky-Diode oder um eine SiliziumKarbid (SiC)-Diode.
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Bei dem zweiten Lastelement 138 handelt es sich beispielsweise um ein ohmsches Lastelement 138 mit einem Widerstand, der betragsmäßig beispielsweise so gewählt ist, dass der Strom, der durch den Bypassteilschaltkreis fließt, den Strom, der anderenfalls im Lastfall 200 fließen würde, betragsmäßig jedenfalls nicht wesentlich übersteigt. Insbesondere bei einer geringen Totzeit zwischen Schaltoperationen des fünften und vierten Schaltelement 135, 134 kann durch das ohmsche Lastelement 138 ein Kurzschluss vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Bypassteilschaltkreis 130 keine LED; er dient z.B. primär dem Zweck, bei den LEDs 200i-n des Lastpfads 200 eine Dimming-Funktion zu ermöglichen.
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Durch Einschalten des fünften Schaltelement 135 wird also jedenfalls der erste Bypasspfad 131 mit dem ersten Lastelement 137 parallel zum Lastpfad 200 geschaltet. Durch den Betrieb des vierten Schaltelements 134 wird festgelegt, ob darüber hinaus das zweite Lastelement 138 des zweiten Bypasspfads 132 aktiv ist, also das Leistungssignal im Lastpfad 200 mit beeinflusst.
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Wie gesagt umfasst der Schaltkreis 100 außerdem den Controller 190, der ausgebildet sein kann, innerhalb der vorgegebenen Schaltperiode Schaltoperationen wenigstens des dritten und fünften Schaltelements 111, 123, 135 zu steuern. Sofern vorhanden, ist der Controller 190 darüber hinaus ausgebildet, innerhalb der vorgegebenen Schaltperiode auch die Schaltoperationen des vierten Schaltelements 134 und, zumindest mittelbar, Schaltoperationen des ersten Schaltelements 111 und des zweiten Schaltelements 112 und zu steuern.
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Gemäß einer Ausführungsform kontrolliert der Controller 190 zur Ansteuerung der LEDs 200i-200n in dem Leistungsteilschaltkreis 110 eine Hysterese-Regelung, und in dem Bypassteilschaltkreis 130 eine PWM-Regelung. Dabei kann die Hysterese-Regelung unabhängig von der PWM-Regelung sein, und die Schaltoperationen des dritten Schaltelements 123 des Filterteilschaltkreises 120 in Abhängigkeit von der PWM-Regelung im Bypassteilschaltkreis 130 gesteuert sein.
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Dem Controller 190 wird beispielsweise über das Eingangssteuersignal 1900 sowohl eine PWM-Schaltfrequenz vorgegeben (also eine Schaltperiode) als auch ein Modulationsgrad, der, wie oben schon dargelegt worden ist, beispielsweise zwischen null und 1 liegt. Die durch das Eingangssteuersignal 1900 vorgegebene Schaltperiode beträgt zum Beispiel weniger als 100 µs. Sie kann aber noch kürzer sein, beispielsweise weniger als 10 µs. Mit der entsprechenden Schaltfrequenz werden zum Beispiel das vierte Schaltelement 134 und das fünfte Schaltelement 135 betrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Controller 190 ausgebildet, das dritte Schaltelement 123 bei derselben Schaltfrequenz wie das fünfte Schaltelement 135 zu steuern. Beispielsweise wird das dritte Schaltelement 123 durch den Controller 190 um eine vorgegebene Versatzzeit verzögert zum Einschalten Zeitpunkt des fünften Schaltelement 135 eingeschaltet, was weiter unten noch näher ausgeführt werden wird.
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Der Controller 190 ist z.B. ausgebildet, die Schaltoperationen des ersten, dritten und fünften Schaltelements 111, 123, 135 innerhalb der vorgegebenen Schaltperiode unabhängig und zeitlich voneinander versetzt zu steuern. Sofern anwesend, kann der Controller 190 innerhalb der vorgegebenen Schaltperiode auch das zweite und vierte Schaltelement 112 und 134 unabhängig und zeitlich voneinander versetzt steuern.
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Ein beispielhaftes Zeitablaufdiagramm ist in der 3 gezeigt, auf die nachstehend verwiesen wird.
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Der oberste Graph zeigt das Hysterese-Ansteuersignal 191, das der Controller 190 an den Hysterese-Regler 119 ausgibt. Bei dem gezeigten Beispiel dient das Hysterese-Ansteuersignal 191 nur dem Aktivieren (191 = High) und dem Deaktivieren (191 = Low) des Leitungsteilschaltkreises 100. Die Aktivierung wird umgesetzt durch (bezogen auf die Schaltperiode) erstmalige Einschaltung des Schaltelements 111. Dadurch wird der Hysterese-modulierte Strom ausgegeben, entweder zum Hauptteil in den Lastpfad 200 (s. unterster Graph, Signal PS) oder zum Hauptteil in den ersten Bypasspfad 131.
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In der Phase, in der der Leistungsteilschaltkreis 110 aktiviert ist, setzt der Hysterese-Regler 119 mittels der beiden Schaltelemente 111, 112 eine Hysterese-Regelung um. Wiewohl ist das Leistungssignal PS in der 3 als nahezu idealförmiger Block dargestellt; lediglich ein kleiner Überschwinger zu Beginn des Einsatzes der Hysterese-Regelung ist dargestellt. Der dargestellte Strompuls überdauert ein wenig die Dauer des Pulses des Signals 191, was auf die Anwesenheit der beiden Spulen 117 und 127 zurückzuführen ist und/oder auf den hinzugeschalteten ersten Bypasspfad 131.
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Der Controller 190 veranlasst durch Ausgabe des ersten Bypassansteuersignals 195 die Schaltoperation des fünften Schaltelements 135, wenn nach der ersten Schaltoperation (innerhalb der vorgegebenen Schaltperiode) des ersten Schaltelements 111 eine vorgegebene erste Zeitverzögerung DT1 abgelaufen ist. Durch die Schaltoperation des fünften Schaltelements 135 wird das erste Lastelement 137 parallel zum Lastpfad 200 geschaltet oder davon entkoppelt. Die erste Schaltoperation des fünften Schaltelements ist eine Ausschaltoperation. Durch die um DT1 verzögerte Ausschaltung des fünften Schaltelements 135 setzt der Strom im Lastpfad 200 ebenfalls um mindestens DT1 verzögert zum erstmaligen Einschalten des ersten Schaltelements 111 ein.
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Die erste Zeitverzögerung DT1 liegt beispielsweise im Bereich von 10 ns bis 100 ns. Die erste Zeitverzögerung DT1 bezeichnet die Zeitdauer zwischen dem ersten Einschaltzeitpunkt des ersten Schaltelements 111 (innerhalb der vorgegebenen Schaltperiode) und dem ersten Ausschaltzeitpunkt des fünften Schaltelements 135. Der erste Einschaltzeitpunkt des ersten Schaltelements 111 wird bspw., wie dargelegt, durch das Hysterese-Ansteuersignal 191 vorgegeben und durch Ausgabe des ersten Ansteuersignals 1911 mittels Hysterese-Reglers 119 umgesetzt.
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Es kann, wie dargelegt, vorteilhaft sein, die Zuschaltung des zweiten Bypasspfades 132 komplementär zur Zuschaltung des ersten Bypasspfades 131 zu gestalten, wie dies in der 3 dargestellt ist. Die beiden Schaltelemente 134 und 135 werden mittels der beiden Signale 194 und 195 bei möglichst geringer Totzeit komplementär zueinander geschaltet. Mit dem Einschalten des fünften Schaltelements 135 kommutiert der Strom vom Lastpfad 200 in den ersten Bypasspfad, wie in 3 veranschaulicht.
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Der Controller 190 ist weiter ausgebildet, durch Ausgabe des Filtersteuersignals 193 die Schaltoperation des dritten Schaltelements 123 zu veranlassen, wenn nach der Schaltoperation des fünften Schaltelements 135 eine vorgegebene zweite Zeitverzögerung DT2 abgelaufen ist. Die zweite Zeitverzögerung DT2 liegt beispielsweise im Bereich von 20 ns bis 250 ns. Die zweite Zeitverzögerung DT2 bezeichnet die Zeitdauer zwischen dem Ausschaltzeitpunkt des fünften Schaltelements 135 (also dem „Einschalten“ der LEDs 200i-n) und dem Einschaltzeitpunkt des dritten Schaltelements 123. Durch Einschalten des dritten Schaltelements 123 nimmt der Kondensator 128 Einfluss auf das Leistungssignal im Lastpfad 200.
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Somit wird zunächst das erste Schaltelement 111 erstmalig eingeschaltet, verzögert dazu das fünfte Schaltelement 135 und wiederum verzögert dazu das dritte Schaltelement 123. Die zweite Zeitverzögerung DT2 kann größer sein als die erste Zeitverzögerung DT1.
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Gemäß einer Ausführungsform veranlasst der Controller durch Ausgabe der Ansteuersignale 191, 193, 194 und 195, dass jedes der Schaltelemente 111, 112, 123, 134 und 135 pro Schaltperiode wenigstens zwei Schaltoperationen durchführt, beispielsweise jedes des der Schaltelemente 111, 112, 123, 134 und 135 pro Schaltperiode einmal eingeschaltet und einmal ausgeschaltet wird. Dabei kann die Schaltfrequenz der beiden Schaltelemente 111 und 112 je nach Ausgestaltung des Leistungsteilschaltkreises 110 höher sein. Die Schaltelemente 111 und 112 werden bspw. komplementär zueinander geschaltet bei einer Frequenz, die mindestens doppelt so groß ist wie die Frequenz, die durch das Eingangssteuersignal 1900 vorgegeben wird.
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Bei der 4, die einen Ausschnitt der durch das Eingangssteuersignal 1900 vorgegebenen Schaltperiode zeigt, sind im obersten Graph das erste Ansteuersignal 1911 für das erste Schaltelement 111 gezeigt (wobei das zweite Schaltelement 112 komplementär dazu geschaltet wird), im mittleren Graph das Filteransteuersignal 193 für das dritte Schaltelement 123, und im untersten Graph das fünfte Ansteuersignal 195 für das fünfte Schaltelement 135 (wobei das vierte Schaltelement 134 komplementär dazu geschaltet wird).
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltfrequenz bei den Schaltelementen 111 und 112 kurz nach Beginn der Einschaltung der LEDs, z.B. während der Dauer der zweiten Zeitverzögerung DT2 (in der Kondensator 128 noch nicht hinzugeschaltet ist) höher als während der Teildauer der vorgegebenen Schaltperiode, in der das dritte Schaltelement 123 eingeschaltet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 2 schematisch und beispielhaft dargestellt ist, umfasst der Filterteilschaltkreis 120 eine dem Kondensator 128 parallelgeschaltete Entladungskompensationsschaltung 126, wobei der Controller 190 ausgebildet ist, durch Ausgabe eines zweiten Filteransteuersignals 192 an die Entladungskompensationsschaltung 126 einen Ladevorgang bei dem Kondensator (128) zu veranlassen. So kann beispielsweise sichergestellt werden, dass beim Einschalten des Schaltelements 123 der Kondensator 128 bereits vorgeladen ist.
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Die Entladungskompensationsschaltung 126 empfängt bspw. eine von der Leistungsquelle 300 abgeleitete Hilfsspannung. Zur Durchführung des Vorladevorgangs kann die Entladungskompensationsschaltung 126 eine Verschaltung mehrerer Transistoren umfassen.
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Wie gesagt kann der Leistungsteilschaltkreis 110 den Hysterese-Regler 119 umfassen, der ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem für das aktuelle Leistungssignal PS (z.B. der Strom im Lastpfad 200 und/oder Bypasspfad 131) indikativen Messwert 1180 und von dem vom Controller 190 ausgegebenen Hysterese-Ansteuersignal 191 dem ersten Schaltelement 111 das erste Ansteuersignal 1911 und dem zweiten Schaltelement 112 das zweite Ansteuersignal 1912 bereitzustellen.
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Nach einer Ausführungsform sind die Mittel 118 zur Bereitstellung des Messwerts 1180 und die Entladungskompensationsschaltung 126 derart ausgebildet, dass der Ladevorgang bei dem Kondensator 128 keinen Einfluss auf die Bereitstellung des Messwerts 1180 hat. Der von der Entladungskompensationsschaltung 126 bereitgestellte Ladestrom fließt also beispielsweise nicht durch den Mess-Shunt 118.
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Die oben beschriebene Ausführungsform mit der Entladungskompensationsschaltung 126 schließt die Erkenntnis ein, dass sich der Kondensator 128 zumindest teilweise entlädt, wenn das dritte Schaltelement 123 geöffnet ist. Um diese Verluste zu kompensieren wird über die Entladungskompensationsschaltung 126 bspw. vor dem Einschalten des dritten Schaltelements 123 ein kurzer Strompuls in den Kondensator 128 injiziert. Dieser Strompuls wird nicht von dem Messe-Shunt 118 erfasst.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Vorladung des Kondensators 128 durch die Entladungskompensationsschaltung 126 nur dann, wenn das fünfte Schaltelement 135 eingeschaltet ist, z.B. während der Dauer von DT1.
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Hier vorgeschlagen wird außerdem ein in der 5 schematisch und exemplarisch dargestellter Scheinwerfer 500, der beispielsweise zur Beleuchtung einer Film-, Studio-, Bühnen-, Event- und/oder Theaterumgebung ausgebildet ist, wobei der Scheinwerfer 500 den wenigstens einen Lastpfad 200 mit seriell verschalteten LEDs 200i, 200n und einen daran gekoppelten Schaltkreis 100 umfasst, der z.B. wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Scheinwerfer 500 als Kalibrierleuchte ausgebildet. Der vorgeschlagene Scheinwerfer 500 muss also nicht notwendigerweise ein Scheinwerfer zur Beleuchtung einer Film-, Studio-, Bühnen-, Event- und/oder Theaterumgebung sein.
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Der Scheinwerfer 500 kann ferner die Leistungsquelle 300 oder zumindest einen Teil davon, beispielsweise einen leistungselektronischen Gleichrichter, integrieren. Zum Beispiel bilden die Leistungsquelle 300 (oder ein Teil davon, wie besagter Gleichrichter), der Schaltkreis 100 und der wenigstens eine Lastpfad 200 ein Scheinwerferbasismodul 530 aus. Der Scheinwerfer 500 umfasst ferner ein optisches System 550, das an das Scheinwerferbasismodul 530 gekoppelt ist, und optional ein Kompendium 570. Zum Beispiel können verschiedene optische Systeme 550 an der Scheinwerferbasismodul 530 zur Ausbildung verschieden gearteter Scheinwerfer gekoppelt werden, ohne dass sich das Scheinwerferbasismodul 530 ändern muss.
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Sämtliche oben beschriebene Schaltelemente 111, 112, 123, 134 und 135 können zum Beispiel jeweils als schnell schaltender Feldeffekttransistor (FET) ausgebildet sein, beispielsweise vom Typ ZXMN6A08G oder EPC2029 sein.
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Der Controller 190 ist beispielsweise als ein Mikrocontroller ausgebildet und kann einen Speicher (hier nicht dargestellt) umfassen, in dem das Verfahren zur Ansteuerung der Schaltelemente 123, 134 und 135 (und ggf. der Schaltelement 111, 112) als abrufbarer Code abgelegt ist, insbesondere auch die beiden Verzögerungszeiten DT1 und DT2. Bei einer Ausführungsform können DT1 und DT2 variable festgelegt werden.
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Der Controller 190 kann ferner ausgebildet sein, das Verfahren zur Ansteuerung in Abhängigkeit von dem Eingangssteuersignal 1900 anzupassen. Das Eingangssteuersignal 1900 kann, wie gesagt, angeben, welche Lichtstärke der Lastpfad 200 ausgeben soll, wobei diese Angabe in einem PWM-Wert codiert sein kann. Das Eingangssteuersignal 1900 kann insbesondere die Schaltperiode vorgeben, innerhalb der die Schaltelemente 123, 134 und 135 zu definierten Zeitpunkten ein- und ausgeschaltet werden. Die Schaltelemente 111 und 112 werden innerhalb dieser Schaltperiode bspw. unabhängig von dem Betrieb der Schaltelemente 123, 134 und 135 gesteuert.
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Der hier vorgestellte Schaltkreis 100 bildet beispielsweise eine LED-Treiberschaltung aus. Der Einsatz des Filterteilschaltkreises 120 mit dem dritten Schaltelement 123 ermöglicht das verzögerte Zuschalten des Kondensator 128 und somit eine schnellere Einregelung des Leistungssignals im Lastpfad 200. Darüber hinaus kann eine Amplitude eines eventuell auftretenden Stromrippels bei dem Leistungssignal reduziert werden, und es kann eine exaktere Stromregelung bei höheren Schaltgeschwindigkeiten erfolgen.
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Räumlich lokale Begriffe, wie beispielsweise „unter“, „unterhalb“, „niedrig-“, „über“, „ober-“, „vorgelagert“, „nachgelagert“ und ähnliches, werden zur Beschreibungsvereinfachung verwendet, um die Positionierung der Stelle eines Elements gegenüber einem zweiten Element zu erklären. Diese Begriffe beabsichtigen das Einschließen unterschiedlicher Ausrichtungen der jeweiligen Vorrichtung in Ergänzung zu anderen, als in den Figuren abgebildeten Ausrichtungen. Ferner werden Begriffe, wie beispielsweise „erst-“, „zweit-“ und ähnliches, auch zur Beschreibung verschiedener Elemente, Regionen, Teilbereiche etc. verwendet und sind ebenso als nicht einschränkend zu verstehen. Ähnliche Begriffe beziehen sich auf ähnliche Elemente die ganze Beschreibung hindurch.
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Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „habend“, „enthaltend“, „einschließend“, „umfassend“, „aufweisend“ und ähnliches offene Begriffe, welche das Vorhandensein von angeführten Elementen oder Merkmalen anzeigen, zusätzliche Elemente oder Merkmale jedoch nicht ausschließen. Die Artikel „ein/eine“ und „der/die/das“ sind dahingehend zu verstehen, dass sie den Plural als auch den Singular umfassen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes anzeigt.
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In Anbetracht des obigen Bereichs von Variationen und Anwendungen wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorangegangene Beschreibung eingeschränkt wird, und auch nicht durch die begleitenden Zeichnungen eingeschränkt wird. Die vorliegende Erfindung ist vielmehr lediglich durch die folgenden Ansprüche und deren legale Äquivalente eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0262724 A1 [0005]
- US 2012/0181940 A1 [0005]
- US 2010/0315016 A1 [0005]
- US 2012/0146533 A1 [0005]
- EP 2322017 B1 [0005]
