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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED-Lampe mit einem einstellbaren Strom.
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Hintergrund
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Leuchtstofflampen sind allgemein bekannt und weitverbreitete Leuchtmitte, die eine effiziente Alternative zu Glühlampen darstellen. Mit der Einführung von LED-Lampen (LED ist die Abkürzung für „light-emitting diode“) sind jedoch sogar noch effizientere und langlebigere Leuchtmittel verfügbar. Des Weiteren sind die Materialien der LED-Lampe sicherer im Vergleich zu Leuchtstofflampen, da beispielsweise kein Quecksilber benötigt wird. Somit besteht ein Bedarf, vorhandene Leuchtstofflampen durch LED-Lampen auszutauschen, vorzugsweise ohne dadurch die gesamte Leuchte oder Leuchtmittelhalterung ändern zu müssen.
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Gegenwärtig erhältliche Leuchtstofflampenhalterungen umfassen üblicherweise so genannte elektronische Vorschaltgeräte (auch als elektronisches Betriebsgerät (auch als „electronic control gear“, kurz ECG bezeichnet) zum Regulieren und Begrenzen des der Leuchtstofflampe bereitgestellten Stroms. Das elektronische Vorschaltgerät betreibt die Lampe üblicherweise bei hohen Frequenzen von einigen 100 Hz bis zu 50 kHz. Die Frequenz des elektronischen Vorschaltgeräts wird derart ausgewählt, dass sie die Resonanzfrequenz des Fluoreszenzgases trifft, damit eine aktive Steuerung des Stroms durch die Leuchtstofflampe ermöglicht und eine gesteigerte Effizienz der Leuchtstofflampe erreicht wird.
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Weiterhin variieren für verschiedene Märkte und/oder Regionen mit unterschiedlichen Normungsbestimmungen die Frequenz und/oder die maximale Stromstärke, die von dem elektronischen Vorschaltgerät bereitgestellt werden. Beispielsweise können gegenwärtig eingesetzte elektronische Vorschaltgeräte unterschiedliche Ausgangsströme im EMEA-Markt (EMEA ist die englische Abkürzung für Europa, Naher Osten und Afrika) erzeugen.
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Um eine mit einer herkömmlichen Lampenhalterung, umfassend ein elektronisches Vorschaltgerät, kompatible LED-Lampe bereitzustellen, wie vorangehend beschrieben, umfassen gegenwärtig erhältliche LED-Lampen elektronische Treiber zum Anpassen der durch das elektronische Vorschaltgerät bereitgestellten Spannung und Stromstärke an die Erfordernisse der LEDs. Anderenfalls könnten elektronische und/oder optoelektronische Bauteile der LED-Lampe durch das elektronische Vorschaltgerät aufgrund hoher, durch das Vorschaltgerät bereitgestellter Spannungen oder Stromstärken beschädigt oder zerstört werden.
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Gegenwärtig erhältliche kompatible Treiber für elektronische Vorschaltgeräte umfassen zwei Arten von Umrichtern, nämlich einen einstufigen aktiven Treiber und eine rein passive Treiberstufe. Der einstufige aktive Treiber regelt den Strom zu den LEDs der LED-Lampe. Somit ist sein Ausgangsstrom unabhängig von dem daran angeschlossenen elektronischen Vorschaltgerät. Üblicherweise umfasst der einstufige aktive Treiber einen Aufwärts-, einen Abwärts- und/oder einen Abwärts-/Aufwärtswandler. Die rein passive Treiberstufe regelt den Strom der LEDs nicht und ihr Ausgangsstrom hängt vom Typ des angeschlossenen elektronischen Vorschaltgeräts ab. Aufgrund dieser Abhängigkeit des elektronischen Treibers vom elektronischen Vorschaltgerät müssen LED-Lampen für verschiedene Länder geändert werden. Zusätzlich zu den Stufenumrichtern des elektronischen Vorschaltgeräts reduziert der zusätzliche Stufenumrichter des LED-Lampen-Treibers den Wirkungsgrad der LED-Lampe weiter beträchtlich. Die Druckschrift
WO 2016/ 151 109 A1 beschreibt eine LED-Lampenanordnung mit einem Satz von LEDs, wobei der Satz von LEDs Gruppen von LEDs umfasst, welcher in einer ersten Schaltungskonfiguration und in einer zweiten Schaltungskonfiguration verbindbar sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Angesichts der voranstehend beschriebenen Nachteile gegenwärtig bekannter LED-Lampen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine LED-Lampe mit effizienter Treiberelektronik bereitzustellen, die an eine Vielzahl unterschiedlicher elektronischer Vorschaltgeräte anschließbar ist und dabei denselben Ausgangsstrom beibehält.
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Diese Aufgabe wird durch eine LED-Lampe nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Ansprüche, die Beschreibung und die Zeichnungen bereitgestellt.
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Entsprechend ist eine LED-Lampe bereitgestellt. Die LED-Lampe umfasst eine erste LED, eine zweite LED und einen PWM-Steuerkreis (PWM ist die Abkürzung für Pulsweiten-Modulation). Der PWM-Steuerkreis ist dazu eingerichtet, ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis bereitzustellen. Eine Verbindung zwischen der ersten LED und der zweiten LED ist in Abhängigkeit von dem PWM-Signal zwischen einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung umschaltbar.
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Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, zwei LEDs (die in zwei jeweiligen Gruppen von LEDs enthalten sein können) gepulst zu betreiben, wobei der Betrieb zwischen einer Parallelschaltung, in der der Strom zwischen den beiden LEDs aufgeteilt wird, und einer Reihenschaltung umgeschaltet wird, in der der gesamte dem Schaltkreis zugeführte Strom durch beide LEDs fließt. Der Strom wird mit einem Tastverhältnis umgeschaltet, das vorzugsweise von einer Differenz zwischen einer Referenzspannung und einem Stromfluss durch die erste LED und/oder die zweite LED und/oder einem Spannungsabfall an der ersten LED und/oder der zweiten LED abhängen kann. Bei einem ersten Wert des PWM-Signals (der der Parallelschaltung entspricht) wird der Stromfluss durch die LEDs reduziert, wohingegen bei einem zweiten Wert des PWM-Signals (der der Reihenschaltung entspricht) der Stromfluss erhöht und insbesondere maximiert wird. Daher schwingt der Strom durch die erste LED und die zweite LED zwischen zwei kleineren unabhängigen niedrigeren Strömen im Fall der Parallelschaltung und einem höheren Strom im Fall der Reihenschaltung.
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Aufgrund dieses Umschaltens zwischen zwei verschiedenen Anschlussweisen der ersten LED und der zweiten LED ist es möglich, dass die LED-Lampe weniger elektronische Bauteile benötigt und insbesondere frei von einem Stufenumrichter ist. Daher kann die LED-Lampe in einer kosteneffektiven Weise bereitgestellt sein und einen erhöhten Wirkungsgrad aufweisen.
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Die LED-Lampe kann eine Vielzahl erster LEDs, die einen ersten LED-Strang bilden, und eine Vielzahl zweiter LEDs umfassen, die einen zweiten LED-Strang bilden. Ein LED-Strang kann einer Gruppe von LEDs entsprechen. Die erste LED und die zweite LED können während des Betriebs der LED-Lampe ein weißes Licht emittieren. Eine Farbtemperatur des durch die ersten LEDs emittierten Lichts kann identisch mit einer Farbtemperatur des durch die zweiten LEDs emittierten Lichts sein.
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Vorzugsweise ist das PWM-Signal ein Rechteck-Signal, das zwischen einem EIN-Zustand (das beispielsweise 5 V und/oder einem HIGH-Spannungssignal entspricht) und einem AUS-Zustand schwingt (das beispielsweise 0 V und/oder einen LOW-Spannungssignal entspricht). Beispielsweise sind die erste LED und die zweite LED in Reihe geschaltet, wenn das PWM-Signal im EIN-Zustand ist, und parallel geschaltet, wenn das PWM-Signal im AUS-Zustand ist, oder umgekehrt. Die im EIN-Zustand verbrachte Zeitdauer ist durch das Tastverhältnis bestimmt. Beispielsweise bedeutet ein Tastverhältnis von 90 %, dass das PWM-Signal 90 % der Zeit im EIN-Zustand ist und 10 % der Zeit im AUS-Zustand ist. Die in einem EIN-AUS-Zyklus verbrachte Zeit, d.h. die Summe der im EIN-Zustand verbrachten Zeit und der im AUS-Zustand verbrachten Zeit, entspricht der Gesamtperiode des PWM-Signals und somit dem Kehrwert der Schwingungsfrequenz des PWM-Signals. Die Schwingungsfrequenz kann mindestens 100 Hz bis zu Dutzenden von kHz betragen. Die Schwingungsfrequenz des PWM-Signals kann das Verhältnis einer Pulsweite eines einzelnen Rechteckpulses des PWM-Signals und des Tastverhältnisses des PWM-Signals sein. Beispielsweise entsprechen eine Pulsweite von 0,1 ms und ein Tastverhältnis von 10 % einer Schwingungsfrequenz von 1 kHz.
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Es ist vorzugsweise möglich, dass die Schwingungsfrequenz des PWM-Signals eine Frequenz übersteigt, die durch das menschliche Auge aufgelöst werden kann. Wenn die erste LED und die zweite LED in Reihe geschaltet sind, können sie Licht mit einer ersten Helligkeit emittieren. Ferner können die beiden LEDs, wenn sie parallel geschaltet sind, Licht mit einer zweiten Helligkeit emittieren. Die erste Helligkeit ist höher als die zweite Helligkeit, da den LEDs in der Reihenschaltung ein Strom mit einer höheren Stromstärke zugeführt wird. Wenn das Umschalten zwischen der Parallel- und der Reihenschaltung auf schnelle Weise, d.h. mit einer hohen Schwingungsfrequenz, vorgesehen ist, ist das menschliche Auge nicht in der Lage, den Helligkeitswechsel aufzulösen. Vielmehr wirkt es, als ob eine konstante Helligkeit, die zwischen der ersten und der zweiten Helligkeit liegt und vom Tastverhältnis abhängt, durch die LED-Lampe bereitgestellt wird (im Folgenden auch als „wahrgenommene konstante Helligkeit“ bezeichnet). Vorzugsweise beträgt die Schwingungsfrequenz mindestens 100 Hz.
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Die wahrgenommene konstante Helligkeit kann identisch mit einer durch die erste LED und/oder die zweite LED bei einem optimalen Betriebsstrom für jeweils die erste LED und/oder die zweite LED bereitgestellten Helligkeit sein. Beim optimalen Betriebsstrom können/kann die erste LED und/oder die zweite LED sehr effizient betrieben werden. Vorteilhafterweise ist ein für die erste LED und die zweite LED bereitgestellter zeitgemittelter Strom im Wesentlichen jeweils identisch mit dem optimalen Betriebsstrom der ersten LED und der zweiten LED. Der zeitgemittelte Strom kann aus einem Mittelwert aus dem niedrigeren Strom (d.h. dem Strom für die Parallelschaltung) und dem höheren Strom (d.h. dem Strom für die Reihenschaltung) gewichtet durch die in dem jeweiligen Stromzustand (entsprechend dem Tastverhältnis des PWM-Signals) verbrachte Zeit erhalten werden.
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Zum Bereitstellen des PWM-Signals kann der PWM-Steuerkreis einen Mikrocontroller und/oder eine Vielzahl von Komparatoren umfassen, beispielsweise in Form von Operationsverstärkern. Im letzteren Fall kann zum Bereitstellen des BWM-Signals ein Sägezahnsignal an einen ersten Eingangsanschluss eines der Komparatoren angeschlossen sein. Ein Eingangsanschluss eines weiteren Komparators kann an die erste LED und/oder die zweite LED über einen Messwiderstand, wie etwa einen Shunt-Widerstand, angeschlossen sein, um den Stromfluss durch die erste LED und/oder die zweite LED zu erfassen. Ein Spannungsabfall am Messwiderstand (der im Folgenden auch als „Messspannung“ bezeichnet wird) kann direkt proportional zum Stromfluss durch den Messwiderstand und somit zum Stromfluss durch die erste LED und/oder die zweite LED sein. Das Tastverhältnis und/oder die Schwingungsfrequenz des PWM-Signals können/kann unter Verwendung von Stellwiderständen und/oder mindestens eines Komparators eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Anschluss des Mikrocontrollers zum Einstellen des Tastverhältnisses und/oder der Schwingungsfrequenz des PWM-Signals genutzt werden.
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In einer Ausführungsform der LED-Lampe umfasst der PWM-Steuerkreis einen ersten Fehlerverstärker und einen zweiten Fehlerverstärker. Der erste Fehlerverstärker und der zweite Fehlerverstärker können jeweils in Form eines Komparators, insbesondere eines Operationsverstärkers, vorgesehen sein. Die Messspannung von einem Shunt-Widerstand, der an die erste LED oder die zweite LED angeschlossen ist, wird an einen Eingangsanschluss des ersten Fehlerverstärkers angelegt. Dieser Eingangsanschluss kann der so genannte positive Eingang des ersten Fehlerverstärkers sein. Ferner ist eine Referenzspannung an einen weiteren Eingangsanschluss des ersten Fehlerverstärkers angeschlossen, dessen weiterer Eingangsanschluss der so genannte negative Eingang des ersten Verstärkers sein kann. Das Ausgangssignal des ersten Fehlerverstärkers gibt die Differenz zwischen seinen beiden Eingängen wieder, d.h. die Differenz zwischen der Messspannung und der Referenzspannung. Wenn die Messspannung, die dem Stromfluss durch die erste LED oder die zweite LED entspricht, höher ist als die Referenzspannung, ist das Ausgangssignal des ersten Fehlerverstärkers erhöht, was zu einer Erhöhung des Tastverhältnisses führt. Umgekehrt ist bei einer Verringerung des Ausgangssignals das Tastverhältnis reduziert. Bei einem kleineren Tastverhältnis ist der Beitrag von der Parallelschaltung höher als der Beitrag von der Reihenschaltung, wodurch der Gesamtstromfluss durch die LEDs reduziert wird.
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Das Ausgangssignal des ersten Fehlerverstärkers ist mit einem Eingangsanschluss des zweiten Fehlerverstärkers gekoppelt und wird mit einen Sägezahnsignal verglichen, das mit einem weiteren Eingang des zweiten Fehlerverstärkers gekoppelt ist. Die Frequenz des Sägezahnsignals legt die Schwingungsfrequenz des PWM-Signals fest. Der Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers ist das PWM-Signal mit dem bestimmten Tastverhältnis, das von dem Ausgangssignal des ersten Fehlerverstärkers abhängt.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die LED-Lampe an ein herkömmliches elektronisches Vorschaltgerät einer Leuchtstofflampenhalterung anschließbar. Die LED-Lampe kann eine LED-Lampenröhre sein. Vorteilhafterweise ist die LED-Lampe an eine Vielzahl unterschiedlicher elektronischer Vorschaltgeräte von Leuchtstofflampenhalterungen anschließbar. Insbesondere kann die LED-Lampe an ein herkömmliches elektronisches Vorschaltgerät anschließbar sein, das standardisiert ist gemäß den Regulierungen von mindestens zwei der folgenden Regionen: Europa, Naher Osten, Afrika, Nordamerika, insbesondere USA, und Asien, insbesondere China und/oder Japan. Vorzugsweise müssen zum Wechsel zwischen den Regionen keine elektronischen Bauteile geändert werden.
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Zum Bereitstellen einer an ein herkömmliches elektronisches Vorschaltgerät anschließbaren LED-Lampe, ist der PWM-Steuerkreis dazu eingerichtet, das Tastverhältnis in Abhängigkeit eines Wertes des durch das elektronische Vorschaltgerät bereitgestellten Versorgungsstroms zu ändern. Beispielsweise können elektronische Vorschaltgeräte verschiedener Märkte unterschiedliche Stromwerte bereitstellen, insbesondere unterschiedliche Maximalstromwerte. Der Stromfluss durch die erste LED und/oder die zweite LED kann direkt proportional zu dem durch das elektronische Vorschaltgerät bereitgestellten Strom sein. Der PWM-Steuerkreis kann dazu eingerichtet sein, den Stromfluss durch die erste LED und/oder die zweite LED mit beispielsweise einem optimalen Betriebsstrom der ersten LED und/oder der zweiten LED zu vergleichen. In Abhängigkeit der Abweichung von dem optimalen Betriebsstrom kann das Tastverhältnis des PWM-Signals eingestellt werden, um einen zeitgemittelten Strom für die erste LED und die zweite LED bereitzustellen. Dieser zeitgemittelte Strom kann eingestellt werden, indem das Verhältnis einer konstanten Referenzspannung und der Messspannung an einem Messwiderstand verglichen werden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die LED-Lampe ferner mindestens einen Schalter. Der Schalter ist an einen Ausgang des PWM-Steuerkreises angeschlossen und mit der ersten LED und der zweiten LED derart verbunden, dass, wenn sich der mindestens eine Schalter im ersten Zustand befindet, die erste LED und die zweite LED in Reihe geschaltet sind, und, wenn sich der mindestens eine Schalter im zweiten Zustand befindet, die erste LED und die zweite LED parallel geschaltet sind. Der Schalter kann offen (d.h. nicht leitend) sein, wenn er sich in dem ersten Zustand befindet, und geschlossen (d.h. leitend) sein, wenn er sich in dem zweiten Zustand befindet, oder umgekehrt. Beispielsweise kann der Schalter einen Transistor umfassen, wie zum Beispiel einen MOSFET. Die LED-Lampe kann daher einfache elektronische Bauteile nutzen, um das Schwingen zwischen dem höheren Strom und dem niedrigeren Strom, wie vorangehend beschrieben, zu erreichen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der LED-Lampe ist mindestens eine Diode zwischen der ersten LED und der zweiten LED geschaltet. Die Diode ist mit der ersten LED und der zweiten LED derart verbunden, dass während des Betriebs der LED-Lampe die Diode in der Durchlassrichtung betrieben wird, wenn die erste LED und die zweite LED in Reihe geschaltet sind, und dass die Diode in der Sperrrichtung betrieben wird, wenn die erste LED und die zweite LED parallel geschaltet sind, oder umgekehrt. Hier bezieht sich der Begriff „umgekehrt“ auf die Diode, wobei die Diode in der Sperrrichtung betrieben wird, wenn die erste LED und die zweite LED in Reihe geschaltet sind, und die Diode in der Durchlassrichtung betrieben wird, wenn die erste LED und die zweite LED parallel geschaltet sind. Die Diode kann somit die Funktion einer Gleichrichterdiode und/oder einer Zener-Diode aufweisen. Die Diode ist vorzugsweise eine schnelle Diode. Dadurch ist ein schnelles Umschalten zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung möglich. Vorzugsweise sind/ist eine Umschaltzeit und/oder eine Einschaltzeit der Diode geringer als eine Anstiegszeit des rechteckigen PWM-Signals. Dies ermöglicht, eine umschaltbare Verbindung zwischen der ersten LED und der zweiten LED auf einfache Weise und durch die Verwendung nur weniger elektronischer Bauteile bereitzustellen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der LED-Lampe umfasst die LED-Lampe einen ersten LED-Strang und einen zweiten LED-Strang. Der erste LED-Strang umfasst die erste LED, und der zweite LED-Strang umfasst die zweite LED. Vorzugsweise umfassen der erste LED-Strang eine Vielzahl von in Reihe geschalteten ersten LEDs und der zweite LED-Strang eine Vielzahl von in Reihe geschalteten zweiten LEDs. Der erste LED-Strang und der zweite LED-Strang können jeweils die vorangehend beschriebene Funktion der ersten LED und der zweiten LED aufweisen. Der erste LED-Strang und der zweite LED-Strang sind identisch und/oder weisen dieselbe Widerstandswirkung auf. Beispielsweise können der erste LED-Strang und der zweite LED-Strang eine identische Anzahl identischer LEDs aufweisen. Mit anderen Worten, die ersten LEDs und die zweiten LEDs können in diesem Fall identisch sein. Alternativ können der erste LED-Strang die erste Anzahl erster LEDs und der zweite LED-Strang eine zweite Anzahl zweiter LEDs aufweisen, wobei sich die erste Anzahl und die zweite Anzahl sowie die ersten LEDs und die zweiten LEDs derart voneinander unterscheiden, dass ein Widerstandswert des ersten LED-Strangs und des zweiten LED-Strangs identisch ist. Da der erste LED-Strang und der zweite LED-Strang identisch sind und/oder einen identischen Widerstandswert aufweisen, ist der niedrigere Strom, der im Falle der Reihenschaltung durch den ersten LED-Strang sowie durch den zweiten LED-Strang fließt, im Wesentlichen zweimal so groß wie der höhere Strom, der im Falle der Parallelschaltung durch den ersten LED-Strang und durch den zweiten LED-Strang fließt. Weiterhin kann die identische Ausgestaltung eine genaue Strommessung, beispielsweise durch die Verwendung eines Messwiderstands, an nur einem der beiden LED-Stränge ermöglichen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der LED-Lampe wird der Stromfluss durch die erste LED und/oder insbesondere den ersten LED-Strang mit dem PWM-Steuerkreis überwacht. Zusätzlich oder alternativ wird der Stromfluss durch die zweite LED und/oder insbesondere den zweiten LED-Strang mit dem PWM-Steuerkreis überwacht. Insbesondere kann ein durch den PWM-Steuerkreis bereitgestelltes Schaltverhalten des PWM-Signals von dem durch den PWM-Steuerkreis gemessenen Strom abhängen. In Abhängigkeit des gemessenen Stroms können/kann die Schwingungsfrequenz und/oder das Tastverhältnis durch den PWM-Steuerkreis geändert werden. Somit kann der Stromfluss durch die erste LED und/oder die zweite LED in Abhängigkeit von dem gemessenen Stromfluss eingestellt werden. Wenn beispielsweise ein zeitgemittelter Stromfluss durch die erste LED und/oder die zweite LED zu hoch ist, kann das Tastverhältnis derart eingestellt werden, dass mehr Zeit in der Parallelschaltung verbracht wird als in der Reihenschaltung.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der LED-Lampe umfasst der PWM-Steuerkreis einen Komparator. Ein Eingangsanschluss des Komparators ist an einen Strommessausgang der ersten LED und/oder insbesondere des ersten LED-Strangs angeschlossen. Das heißt, der PWM-Steuerkreis nutzt einen Komparator zum Bereitstellen des rechteckigen PWM-Signals, wobei das Komparatorsignal von dem Stromfluss durch die erste LED abhängt. Der Strommessausgang kann beispielsweise der Ausgang eines Messwiderstands sein, der mit der ersten LED und/oder insbesondere dem ersten LED-Strang verbunden ist.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die LED-Lampe einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter. Der erste Schalter ist mit der ersten LED und/oder insbesondere dem ersten LED-Strang in Reihe geschaltet. Der zweite Schalter ist mit der zweiten LED und/oder insbesondere dem zweiten LED-Strang in Reihe geschaltet. Alternativ können der erste Schalter im ersten LED-Strang und der zweite Schalter im zweiten LED-Strang enthalten sein. Der erste Schalter und der zweite Schalter können dieselbe Funktion aufweisen wie der vorangehend beschriebene mindestens eine Schalter.
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Das durch den PWM-Steuerkreis bereitgestellte PWM-Signal kann zum Steuern des Schalters vorgesehen sein. Beispielsweise ist der erste Schalter mit dem ersten LED-Strang in Reihe geschaltet und der zweite Schalter ist mit dem zweiten LED-Strang in Reihe geschaltet. Wenn sich das PWM-Signal in dem EIN-Zustand befindet, können der erste Schalter und der zweite Schalter gleichzeitig geschlossen sein und dadurch die Verbindung zwischen der ersten LED und der zweiten LED in Form einer Parallelschaltung schalten. In ähnlicher Weise können, wenn sich das PWM-Signal in dem AUS-Zustand befindet, der erste Schalter und der zweite Schalter gleichzeitig geöffnet sein und dadurch die Verbindung zwischen der ersten LED und der zweiten LED in Form einer Reihenschaltung schalten.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
- 1, 2, 3A und 3B zeigen beispielhafte Ausführungsformen einer LED-Lampe gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer LED-Lampe gemäß einer alternativen Ausführungsform.
- 5A, 5B und 5C zeigen jeweils ein PWM-Signal und Stromflüsse für beispielhafte Ausführungsformen einer LED-Lampe gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Genaue Beschreibung der Erfindung
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Im Folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
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Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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Unter Bezugnahme auf das schematische Schaltbild der 1 wird eine Ausführungsform einer LED-Lampe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung genauer erläutert. Die LED-Lampe 1 umfasst einen ersten LED-Strang 110 mit einer Vielzahl erster, in Reihe geschalteter LEDs 11, einen zweiten LED-Strang 120 mit einer Vielzahl zweiter, in Reihe geschalteter LEDs 12 und einen PWM-Steuerkreis 20. Der erste LED-Strang 110 ist mit dem zweiten LED-Strang 120 über eine umschaltbare Parallelschaltung und über eine Reihenschaltung durch eine Diode 14 verbunden. Zu Filterungszwecken sind die ersten LEDs 11 des ersten LED-Strangs 110 und die zweiten LEDs 12 des zweiten LED-Strangs 120 zu jeweils einem Glättungskondensator 42 parallel geschaltet. Ferner ist der erste LED-Strang 110 über einen Messwiderstand 41, der ein Shunt sein kann, mit der Masse 40 verbunden. Der Messwiderstand 41 stellt eine Spannung an einem Strommess-Ausgangsanschluss 21 bereit, wobei die Spannung direkt proportional zu dem Strom ist, der durch den ersten LED-Strang 110 fließt.
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Ein erster Schalter 131 und ein zweiter Schalter 132 sind an den ersten LED-Strang 110 und den zweiten LED-Strang 120 angeschlossen. Wenn der erste Schalter 131 und der zweite Schalter 132 geschlossen, d.h. in einem leitenden Zustand, sind, sind der erste LED-Strang 110 und der zweite LED-Strang 120 parallel geschaltet, da die Diode 14 dann in der Sperrrichtung betrieben wird.
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Der erste Schalter 131 und der zweite Schalter 132 werden von einem durch den PWM-Steuerkreis 20 bereitgestellten PWM-Signal 22 betätigt. Zum Stabilisieren und/oder Steuern des PWM-Signals 22 gemäß dem Stromfluss durch den ersten LED-Strang 110 ist der Strommessausgang 21 mit dem PWM-Steuerkreis 20 verbunden.
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Die LED-Lampe 1 kann ferner eine Gleichrichterschaltung 43 umfassen. An den Ausgangsanschlüssen der Gleichrichterschaltung 43 sind ein Versorgungsstrom und/oder eine Versorgungsspannung bereitgestellt. Der Versorgungsstrom und/oder die Versorgungsspannung können beispielsweise ein Gleichstrom und/oder eine Gleichspannung sein und eine Sägezahnform aufweisen. Die Eingangsanschlüsse der Gleichrichterschaltung 43, die als Bus-Anschlüsse gesehen werden können, sind an Vorschaltwiderstände 46 und eine Induktivität 44 angeschlossen. An den Vorschaltwiderständen 46 ist die LED-Lampe 1 an ein elektronisches Vorschaltgerät 10 anschließbar. Vorzugsweise ist zwischen der Gleichrichterschaltung 43 und dem elektronischen Vorschaltgerät 10 kein Filterkondensator geschaltet.
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Unter Bezugnahme auf die schematischen Schaltbilder der 2, 3A und 3B wird eine Ausführungsform einer LED-Lampe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung genauer erläutert. Genauer zeigt 2 das schematische Schaltbild für die Ausführungsform allgemein und die 3A und 3B zeigen das schematische Schaltbild für verschiedene, durch den PWM-Steuerkreis 20 bereitgestellte PWM-Signale 22.
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Im Vergleich zu 1 ist in der beispielhaften Ausführungsform der 2, 3A und 3B ein genauerer Aufbau des PWM-Steuerkreises 20 gezeigt. Der PWM-Steuerkreis 20 umfasst einen PWM-Generator 23, der das Steuersignal 22 an einem Ausgangsanschluss bereitstellt. Der PWM-Generator 23 ist in den Figuren als ein Komparator dargestellt. Entgegen dieser Darstellung kann der PWM-Generator 23 jedoch weitere elektronische Bauteile umfassen, insbesondere weitere Komparatoren, und/oder ein Mikrocontroller sein.
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Einer der Eingangsanschlüsse des PWM-Generators 23 ist an den Strommessausgang 21 angeschlossen, wobei hochfrequente Signale mittels des Filterkondensators 25 gefiltert werden. Daher ist ein Spannungssignal, das proportional zum Stromfluss durch den ersten LED-Strang 110 ist, an diesen Eingang angeschlossen. Zum Einstellen des Wertes des Spannungssignals am Strommessausgang 21 ist ein weiterer Widerstand 45 zwischen dem ersten LED-Strang 110 und dem PWM-Generator 23 geschaltet.
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Der andere Eingangsanschluss des PWM-Generators 23 ist über einen ersten Widerstand 241 an der Gleichrichterschaltung 43 und somit an den Versorgungsstrom angeschlossen. Auf diese Weise wird das Spannungssignal, das proportional zu dem Stromfluss durch den ersten LED-Strang 110 ist, mit einer durch das elektronische Vorschaltgerät 10 bereitgestellten Versorgungsspannung verglichen, wodurch ein PWM-Signal 22 am Ausgang des PWM-Generators 23 mit einem Tastverhältnis erzeugt wird, das an den Wert der Versorgungsspannung angepasst ist. Ein Versorgungsanschluss des PWM-Generators 23 ist über einen zweiten Widerstand 242 an der Gleichrichterschaltung 43 angeschlossen.
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3A zeigt das schematische Schaltbild von 2, in dem sich der erste Schalter 131 und der zweite Schalter 132 beide in dem offenen Zustand 51, d.h. in dem nicht leitenden Zustand, befinden. 3B zeigt das schematische Schaltbild von 2, in dem sich der erste Schalter 131 und ein zweiter Schalter 132 beide in dem geschlossenen Zustand 53, d.h. in dem leitenden Zustand, befinden. Beispielsweise befinden sich die beiden Schalter 131, 132 in dem geschlossenen Zustand 53, wenn das PWM-Signal 22 den AUS-Zustand (der 5 V entspricht) aufweist, und in dem offenen Zustand 51, wenn das PWM-Signal 22 den EIN-Zustand (der 0 V entspricht) aufweist.
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In 3A sind der erste LED-Strang 110 und der zweite LED-Strang 120 in Reihe geschaltet. Daher fließt ein einziger höherer Strom 52, der mit dem Versorgungsstrom identisch sein kann, zu dem ersten LED-Strang 110 und zu dem zweiten LED-Strang 120. In 3B sind der erste LED-Strang 110 und der zweite LED-Strang 120 parallel geschaltet. Daher wird der Versorgungsstrom zwischen dem ersten LED-Strang 110 und dem zweiten LED-Strang 120 aufgeteilt und ein niedrigerer Strom 54 fließt jeweils unabhängig durch den ersten LED-Strang 110 und den zweiten LED-Strang 120. Der niedrigere Strom 54 ist kleiner als der höhere Strom 52.
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Unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung von 4 wird eine beispielhafte Ausführungsform einer alternativen LED-Lampe 1' genau beschrieben. Die alternative LED-Lampe 1' kann eine herkömmliche LED-Lampe sein. Die alternative LED-Lampe 1' ist an ein herkömmliches elektronisches Vorschaltgerät 10 angeschlossen. Das elektronische Vorschaltgerät 10 ist weiter an eine gemeinsame Spannungsversorgung mit einem Phasenanschluss (L), einem Neutralleiteranschluss (N) und einer Erdspannung (PE) angeschlossen. Das elektronische Vorschaltgerät 10 kann mindestens einen Aufwärts- und/oder mindestens einen Halbbrückenumrichter zum Umwandeln des Stroms und/oder der Spannung umfassen, die durch die gemeinsame Stromversorgung vorgesehen sind.
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Die alternative LED-Lampe 1' umfasst eine erste Treiberstufe 11 und eine zweite Treiberstufe 12, die ein Lichtgenerator sein können. Die erste Treiberstufe 11 kann ein einstufiger aktiver Treiber sein. Die zweite Treiberstufe 12 kann eine passive Treiberstufe sein, die von dem Typ des an die alternative LED-Lampe 1' angeschlossenen elektronischen Vorschaltgeräts 10 abhängt.
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Die alternative LED-Lampe 1' umfasst mindestens drei Stufenumrichter, nämlich mindestens zwei Umrichter im elektronischen Vorschaltgerät 10 und mindestens einen Umrichter in der zweiten Treiberstufe 12 und/oder der ersten Treiberstufe 11. Im Vergleich zu der LED-Lampe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Effizienz der alternativen LED-Lampe 1' somit bedeutend reduziert.
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Unter Bezugnahme auf die Messdaten der 5A, 5B und 5C werden beispielhafte Ausführungsformen einer LED-Lampe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung genau erläutert. Jede der 5A, 5B und 5C zeigt einen ersten Strom 71, einen zweiten Strom 72 und das PWM-Signal 22 als eine Funktion der Zeit (in willkürlichen Einheiten, arbitrary units, a.u.).
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Während des Betriebs der LED-Lampe 1 fließt der erste Strom 71 durch die ersten LEDs 11, wobei der erste Nullstrom 710 die Position des Nulldurchgangs des ersten Stroms 71 zeigt. Der zweite Strom 72 fließt während des Betriebs der LED-Lampe 1 durch die zweiten LEDs 12, wobei der zweite Nullstrom 720 die Position des Nulldurchgangs des zweiten Stroms 72 zeigt. Das PWM-Nullsignal 220 zeigt die Position des Nulldurchgangs des PWM-Signals 22.
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Die Daten gemäß den 5A, 5B und 5C wurden mit einer LED-Lampe 1 erfasst, die einen zu der unter Bezugnahme auf 2, 3A und 3B gezeigten Ausführungsform ähnlichen elektronischen Schaltkreis aufweist. Der Versorgungsstrom für die LED-Lampe 1 ist identisch für die verschiedenen Ausführungsformen der 5A, 5B und 5C, um einen Vergleich zwischen den Ergebnissen für verschiedene Tastverhältnisse zu ermöglichen.
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Rein beispielhaft weisen der erste LED-Strang 110 und der zweite LED-Strang 120 einen identischen Aufbau auf. Das heißt, der erste LED-Strang 110 weist eine Vielzahl erster LEDs 11 auf und der zweite LED-Strang 120 weist eine Vielzahl zweiter LEDs 12 auf, wobei die Anzahl der LEDs 11, 12 in dem ersten LED-Strang 110 und in dem zweiten LED-Strang 120 identisch ist, und wobei die ersten LEDs 11 identisch mit den zweiten LEDs 12 sind. Aufgrund dieser Gleichheit weisen der erste Strom 71 und der zweite Strom 72 im Wesentlichen einen identischen Wert auf.
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Der erste Strom 71 und der zweite Strom 72 jeder der beispielhaften Ausführungsformen der 5A, 5B und 5C schwingen zwischen einem hohen Wert und einem niedrigen Wert. Der hohe Stromwert entspricht der Reihenschaltung des ersten LED-Strangs 110 und des zweiten LED-Strangs 120. Der niedrige Stromwert entspricht der Parallelschaltung des ersten LED-Strangs 110 und des zweiten LED-Strangs 120. Der niedrige Stromwert kann insbesondere die Hälfte des hohen Stromwertes betragen. In den vorliegenden Beispielen beträgt der mittlere niedrige Stromwert 200 mA und der mittlere hohe Stromwert 400 mA, wobei der Mittelwert genommen wird, um ein Rauschen zu erfassen. Die Parallelschaltung ist eingestellt, wenn sich das PWM-Signal 22 in einem EIN-Zustand (d.h. in einem Zustand hoher Spannung) befindet. Die Reihenschaltung ist eingestellt, wenn sich das PWM-Signal 22 in einem AUS-Zustand (d.h. in einem Zustand niedriger Spannung) befindet.
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Die in den 5A, 5B und 5C gezeigten Messdaten unterscheiden sich wie folgt. In der beispielhaften Ausführungsform der 5A beträgt das Tastverhältnis des PWM-Signals 22 10 %. Der jeweilige Mittelwert (d.h. die zeitgemittelte Stromstärke) des ersten Stroms 71 und des zweiten Stroms 72 in 5A schwankt zwischen mindestens 370 mA und höchstens 385 mA, insbesondere zwischen mindestens 374 mA und höchstens 379 mA. In der Ausführungsform von 5B beträgt das Tastverhältnis des PWM-Signals 22 50 %. Der jeweilige Mittelwert des ersten Stroms 71 und des zweiten Stroms 72 in 5B schwankt zwischen mindestens 295 mA und höchstens 310 mA, insbesondere zwischen mindestens 301 mA und höchstens 304 mA. In der Ausführungsform von 5C beträgt das Tastverhältnis des PWM-Signals 22 100 %. Der jeweilige Mittelwert des ersten Stroms 71 und des zweiten Stroms 72 in 5C schwankt zwischen mindestens 195 mA und höchstens 205 mA, insbesondere zwischen mindestens 200 mA und höchstens 202 mA. Bei einem Tastverhältnis von 100 % weist sowohl der erste Strom 71 als auch der zweite Strom 72 einen dem niedrigen Stromwert entsprechenden Wert auf.
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Im Allgemeinen beträgt bei einem der LED-Lampe 1 bereitgestellten konstanten Strom, wobei nur das Tastverhältnis verändert wird, der Mittelwert des ersten Stroms 71 und/oder des zweiten Stroms 72:
- I1/2=D*IL + (1-D)*IH, wobei I1/2 der erste/zweite Strom 71, 72 ist, D das Tastverhältnis ist, IH der hohe Stromwert ist und IL der niedrige Stromwert ist. Die in den 5A, 5B und 5C gezeigten Messdaten stimmen mit dieser Gleichung überein.
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Die Erfindung ist nicht auf die auf den Ausführungsformen basierende Beschreibung beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedwede neuen Merkmale und auch jedwede Kombination von Merkmalen, umfassend insbesondere jedwede Kombination der in den Ansprüchen enthaltenen Merkmale, selbst wenn diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder den beispielhaften Ausführungsformen spezifiziert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED-Lampe
- 1'
- alternative LED-Lampe
- 10
- elektronisches Vorschaltgerät
- 11
- erste Treiberstufe
- 12
- zweite Treiberstufe
- 11
- erste LED
- 110
- erster LED-Strang
- 12
- zweite LED
- 120
- zweiter LED-Strang
- 20
- PWM-Steuerkreis
- 21
- Strommessausgang
- 22
- PWM-Signal
- 220
- PWM-Nullsignal
- 23
- PWM-Generator
- 241
- erster Widerstand
- 242
- zweiter Widerstand
- 25
- Filterkondensator
- 40
- Masse
- 41
- Messwiderstand
- 42
- Glättungskondensator
- 43
- Gleichrichterschaltung
- 44
- Induktivität
- 45
- weiterer Widerstand
- 46
- Vorschaltwiderstand
- 50
- niedrigerer Strom
- 51
- offener Zustand
- 52
- höherer Strom
- 53
- geschlossener Zustand
- 54
- niedrigerer Strom
- 71
- erster Strom
- 710
- erster Nullstrom
- 72
- zweiter Strom
- 720
- zweiter Nullstrom
