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Gebiet der Erfindung
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Die Beschreibung betrifft Beleuchtungssysteme.
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Beschreibung des Stands der Technik
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1 stellt ein typisches Beleuchtungssystem dar, das einen elektronischen Wandler 10 und mindestens ein Beleuchtungsmodul 20 beinhaltet. Allgemein gesagt, beinhaltet ein Beleuchtungsmodul 20 eine oder mehrere Lichtstrahlungsquellen einschließlich z. B. mindestens einer LED (Leuchtdiode) oder anderer Festkörper-Beleuchtungsmittel, wie etwa z. B. Laserdioden.
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Genauer gesagt, ist der elektronische Wandler 10 in dem gegenwärtig in Betracht gezogenen Beispiel ein elektronischer AC/DC-Wandler. Daher beinhaltet der elektronische Wandler 10 zwei Eingangsanschlüsse 102a und 102b zur Verbindung mit dem Netz und zwei Ausgangsanschlüsse 104a und 104b zur Verbindung mit dem einen oder den mehreren Beleuchtungsmodulen 20. Typischerweise ist die Leitung 102a mit einer Phase L verbunden und der Anschluss 102b ist mit Neutral N verbunden.
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Allgemein gesagt, kann der elektronische Wandler 10 entweder ein Spannungsgenerator oder ein Stromgenerator sein. Gleichermaßen kann das Beleuchtungsmodul 20 dazu ausgelegt sein, mit einer geregelten Spannung oder einem geregelten Strom versorgt zu werden.
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Daher empfängt der elektronische Wandler 10 am Eingang, über die Anschlüsse 102a und 102b, eine Wechselspannung Vin , wie etwa 110 oder 230 V Wechselspannung, und liefert am Ausgang, über den positiven Anschluss 104a und den negativen Anschluss 104b, eine geregelte Spannung Vout , wie etwa z. B. 12 oder 24 V Gleichspannung, oder einen geregelten Strom iout .
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2 stellt zum Beispiel ein Beispiel für ein Beleuchtungsmodul 20 dar. Genauer gesagt, beinhaltet das Beleuchtungsmodul 20 einen positiven Eingangsanschluss 200a und einen negativen Eingangsanschluss 200b zur Verbindung mit den Anschlüssen 104a und 104b des elektronischen Wandlers 10. Das Beleuchtungsmodul 20 kann zum Beispiel direkt oder durch ein Kabel mit dem elektronischen Wandler 10 verbunden sein. Daher ist der Anschluss 200a mit dem positiven Anschluss 104a verbunden und der Anschluss 200b ist mit dem negativen Anschluss 104b verbunden und somit empfängt das Beleuchtungsmodul die geregelte Spannung Vout oder den geregelten Strom iout .
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In dem gegenwärtig in Betracht gezogenen Beispiel ist das Beleuchtungsmodul 20 ein LED-Modul, das eine oder mehrere LEDs (oder Laserdioden) L beinhaltet, die zwischen den Anschlüssen 200a und 200b geschaltet sind. Das Modul 20 kann zum Beispiel eine LED-Verkettung oder -Kette 22 beinhalten, bei der mehrere LEDs L (oder gleichermaßen Laserdioden) in Reihe geschaltet sind.
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Falls das Beleuchtungsmodul 20 mit einer geregelten Spannung versorgt wird, beinhaltet das Beleuchtungsmodul 20 typischerweise einen Stromregler 24, der mit der LED-Kette 22 in Reihe geschaltet ist. Im einfachsten Fall kann der Stromregler 24 ein Widerstand oder ein linearer Stromregler sein. Der Stromregler 24 kann auch mit Stromspiegeln oder mit einer Schaltstromquelle, die typischerweise eine Induktivität und einen elektronischen Schalter beinhaltet, implementiert werden.
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Allgemein gesagt, können auch mehrere Beleuchtungsmodule 20 mit dem elektronischen Wandler 10 verbunden sein. Falls zum Beispiel eine geregelte Spannung Vout verwendet wird, können die Beleuchtungsmodule 20 mit den Anschlüssen 104a und 104b parallel geschaltet sein. Andererseits, falls ein geregelter Strom iout verwendet wird, sind die Beleuchtungsmodule 20 typischerweise zwischen den Anschlüssen 104a und 104b in Reihe geschaltet.
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Aus Sicherheitsgründen wird häufig gefordert, dass der elektronische Wandler 10 ein isolierter Wandler ist. Daher beinhaltet der elektronische Wandler 10 in diesem Fall mindestens einen Transformator T, der eine Primärwicklung T1 und eine Sekundärwicklung T2 beinhaltet.
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3 stellt zum Beispiel die Betriebsanordnung eines isolierten elektronischen Wandlers 10 dar.
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In diesem Fall beinhaltet der Wandler 10, zwischen den Eingangsanschlüssen 102a und 102b und der Primärwicklung T1 des Transformators T, eine Gleichrichtungsschaltung 108 und eine Schaltstufe 112.
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Genauer gesagt, ist der Eingang der Gleichrichtungsschaltung 108, wie etwa z. B. eine Diodenbrücke, (z. B. direkt) mit den Anschlüssen 102a und 102b verbunden. Daher empfängt die Gleichrichtungsschaltung 108 am Eingang die Eingangsspannung Vin und stellt am Ausgang eine DC-Spannung Vin,DC bereit. Allgemein gesagt, kann zwischen den Eingangsanschlüssen 102a und 102b und der Gleichrichtungsschaltung 108 auch eine Filterschaltung 106 bereitgestellt sein, die dazu ausgelegt ist, das durch den elektronischen Wandler 10 erzeugte Rauschen zu filtern.
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Die Schaltstufe 112 beinhaltet einen oder mehrere elektronische Schalter, die dazu ausgebildet sind, die Anschlüsse der Primärwicklung T1 des Transformators T selektiv mit der Spannung Vin,DC , die durch die Gleichrichtungsschaltung 108 bereitgestellt wird, zu verbinden. Allgemein gesagt, kann zwischen der Gleichrichtungsschaltung 108 und der Schaltstufe 112 eine Filterschaltung 110, wie etwa z. B. ein Kondensator, die mit den Ausgangsanschlüssen der Gleichrichtungsschaltung 108 parallel geschaltet ist, bereitgestellt sein. Daher empfängt die Filterschaltung 108 in diesem Fall (z. B. direkt) die Spannung Vin,DC und stellt am Ausgang eine gefilterte Spannung, typischerweise eine Busspannung genannt, Vbus bereit. In diesem Fall empfängt die Schaltstufe 112 daher am Eingang die Spannung Vbus .
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Die Wechselspannung an der Sekundärseite des Transformators T wird dann mittels einer Gleichrichtungsschaltung 114, die typischerweise eine oder mehrere Dioden (wie etwa z. B. eine Diodenbrücke) beinhaltet, in eine DC-Spannung umgewandelt. Daher ist der Eingang der Gleichrichtungsschaltung 114 (z. B. direkt) mit den Anschlüssen der Sekundärwicklung T2 des Transformators T verbunden und stellt am Ausgang eine DC-Spannung/einen DC-Strom bereit, die bzw. der im einfachsten Fall der Ausgangsspannung/dem Ausgangsstrom Vout /iout entspricht. Vorzugsweise ist eine Filterschaltung 116 bereitgestellt, die zwischen dem Ausgang der Gleichrichtungsschaltung 114 und dem Ausgang des Wandlers 10, d. h. den Anschlüssen 104a und 104b, geschaltet ist. Daher ist die Filterschaltung dazu ausgelegt, die durch die Gleichrichtungsschaltung 114 bereitgestellte Spannung zu stabilisieren. Mögliche Gleichrichtungsschaltungen 114 (mit der optionalen zusätzlichen Verwendung eines Transformators mit einer Zwischenverbindung) und Filterschaltungen 116 sind zum Beispiel im Dokument PCT/IB2016/055923 beschrieben, dessen Inhalt in die vorliegende Spezifikation zum Bezug eingeschlossen wird.
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In einem Schaltwandler empfängt der Transformator T daher an der Primärseite eine Wechselspannung, die eine Schaltfrequenz aufweist, die mittels der Schaltstufe 112 bestimmt wird. Typischerweise liegt die Schaltfrequenz zwischen 1 kHz und 200 kHz, vorzugsweise zwischen 20 kHz und 200 kHz.
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Daher beinhaltet der elektronische Wandler 10 auch eine Steuerschaltung 118, die dazu ausgelegt ist, ein oder mehrere Treibersignale DRV zum Ansteuern der Schaltstufe 112 zu erzeugen, sodass die Ausgangsspannung Vout oder der Ausgangsstrom iout auf einen gewünschten Wert geregelt werden kann. Allgemein gesagt, kann die Steuerschaltung 118 eine beliebige Analog- und/oder Digitalschaltung sein, wie etwa z. B. ein Mikroprozessor, der über Softwarecode programmiert wird.
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Zu diesem Zweck wird typischerweise eine Rückkopplungsschaltung 120 verwendet, die ein Rückkopplungssignal FBREG bereitstellt, das als eine Funktion der Ausgangsspannung Vout (für einen Spannungsgenerator) oder des Ausgangsstroms iout (für einen Stromgenerator) bestimmt wird.
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Die verschiedenen Topologien (Sperr-, Vorwärts-, Resonanztopologien und andere) elektronischer Schaltwandler sind wohlbekannt, und die Haupttopologien sind z. B. in L. Wuidart, „Application Note - Topologies For Switched Mode Power Supplies“, STMicroelectronics, 1999 beschrieben.
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Es wird häufig gefordert, dass das durch die Lichtquellen des Beleuchtungsmoduls 20 emittierte Licht anpassbar, d. h. dimmbar, ist.
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Falls der elektronische Wandler 10 einen geregelten Strom iout liefert, kann die Steuerschaltung 118 eine Pulsweitenmodulation verwenden, um die Amplitude des geregelten Stroms iout direkt als eine Funktion eines Dimmsteuersignals zu variieren.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuerschaltung 118 den Ausgang des elektronischen Wandlers 10 als eine Funktion des Dimmsteuersignals aktivieren oder deaktivieren. In dieser Lösung führt der Wandler 10 daher die Dimmoperation durch und regelt den durchschnittlichen Strom, der durch das Beleuchtungsmodul 20 fließt, indem der Ausgang des Wandlers 10 und daher das Beleuchtungsmodul 20 ein- oder ausgeschaltet wird. Das Ein-/Ausschalten wird zum Beispiel häufig mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert, wobei die Steuerschaltung 118 das Tastverhältnis als eine Funktion des Dimmsteuersignals variiert. Typischerweise liegt die PWM-Frequenz im Bereich zwischen 100 Hz und 2 kHz.
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Wie in 4 dargestellt, kann der elektronische Wandler 10 allgemein gesagt auch ein DC/DC-Wandler sein. In diesem Fall sind die Eingangsanschlüsse 102a und 102b mit einem DC-Spannungsgenerator, wie etwa z. B. einer Batterie, verbunden oder die Eingangsspannung Vin ist eine DC-Spannung. In diesem Beispiel ist das Vorhandensein einer Gleichrichtungsschaltung 108 nicht zwingend und die optionalen Filterschaltungen 106 und 110 können in eine Filterschaltung kombiniert werden. Für den Rest entspricht die Architektur der in 3 dargestellten.
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Daher, wie voranstehend dargelegt, wird aufgrund des Vorhandenseins eines Transformators T eine Rückkopplungsschaltung 120 benötigt, die dazu ausgebildet ist, ein Regel-/Rückkopplungssignal FBREG durch die Isolationsbarriere, die durch den Transformator T erzeugt wird, zu übertragen.
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Diesbezüglich stellt 5 eine mögliche Lösung für die Rückkopplungsschaltung 120 dar.
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In dem gegenwärtig in Betracht gezogenen Beispiel beinhaltet die Rückkopplungsschaltung 120 Folgendes:
- - eine Messschaltung 122, die dazu ausgelegt ist, ein Messsignal SREG zu erzeugen, das die Ausgangsspannung Vout oder den Ausgangsstrom iout angibt;
- - einen Optokoppler/Optoisolator 126, der z. B. eine LED und einen Phototransistor beinhaltet;
- - eine Übertragungsschaltung 124, die dazu ausgelegt ist, den Optokoppler 126 als eine Funktion des Signals SREG anzusteuern; und
- - eine Empfängerschaltung 128, die dazu ausgelegt ist, den Ausgang des Optokopplers 126 zu überwachen, um das Signal SREG zu detektieren.
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In 5 empfängt die Treiberschaltung 124 zum Beispiel das Signal SREG und erzeugt einen entsprechenden Strom iTX zum Ansteuern des Optokopplers 126. Andererseits überwacht die Empfängerschaltung 128 die Spannung am Ausgang des Optokopplers 126, was den Strom iFB angibt. Allgemein gesagt, kann der Optokoppler 126 auch mit anderen optischen, kapazitiven oder induktiven Sendeempfängermitteln ersetzt werden.
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Typischerweise beinhaltet die Rückkopplungsschaltung auch eine Regeleinheit 130, die dazu ausgelegt ist, das Regelsignal FBREG als eine Funktion des Signals SREG zu erzeugen. Die Regeleinheit 130 ist häufig ein Fehlerverstärker 130, typischerweise in Form eines PI(Proportional-Integral)-Reglers oder eines PID(Proportional-Integral-Differential)-Reglers, der den übertragenen Wert mit einem Referenzsignal REF vergleicht. Alternativ dazu kann die Regeleinheit 130 ein Komparator sein, typischerweise ein Komparator mit Hysterese, der dazu ausgelegt ist, das Regelsignal FBREG durch Vergleichen des Signals SREG mit mehreren Referenzsignalen REF, typischerweise einer unteren Schwelle und einer oberen Schwelle, zu erzeugen.
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Allgemein gesagt, kann die Regeleinheit 130 auch in die Steuereinheit 118 integriert sein, z. B. in Form eines dedizierten Softwaremoduls und/oder Hardwaremoduls eines Mikrocontrollers.
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Darüber hinaus kann sich die Regeleinheit 130 an der Sekundärseite des elektronischen Wandlers befinden und die Übertragungsschaltung 124 kann das Regelsignal FBREG übertragen. Typischerweise befindet sich die Regeleinheit 130 an der Seite, an der das eine oder die mehreren Referenzsignale REF erzeugt werden. Die Regeleinheit 130 befindet sich zum Beispiel typischerweise an der Primärseite, falls das eine oder die mehreren Referenzsignale REF durch die Steuerschaltung 118 bereitgestellt werden.
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In vielen Anwendungen wird gefordert, dass ein oder mehrere weitere Signale SA von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators T übertragen werden, z. B. falls eine Rückkopplung der Ausgangsspannung Vout und des Ausgangsstroms iout benötigt wird.
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Allgemein gesagt, können die zu übertragenden zusätzlichen Signale SA analoge Signale (d. h. Signale mit kontinuierlichen Werten) oder digitale Signale (z. B. Signale mit diskreten Werten, typischerweise in Form einer Bitsequenz) sein.
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Die einfachste Lösung beinhaltet das Einsetzen mehrerer im Wesentlichen unabhängiger Übertragungsschaltungen 124. Zu diesem Zweck ist für jedes Signal SA ein jeweiliger Optokoppler 126 und eine jeweilige Empfängerschaltung 128 bereitgestellt.
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Wie in 5 dargestellt, sind andere Lösungen bekannt, bei denen ein einziger Optokoppler 126 und eine einzige Übertragungsschaltung 124 verwendet werden, um ein oder mehrere zusätzliche Signale SA zu übertragen. Zu diesem Zweck variiert die Übertragungsschaltung 124 das Treibersignal (iTX im gegenwärtig in Betracht gezogenen Beispiel) als eine Funktion des Messsignals SREG und des einen oder der mehreren hinzugefügten Signale SA.
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In gewissen Lösungen werden zum Beispiel alle Signale (
SREG und
SA) mittels einer Analog/Digital(A/D)-Umwandlung digitalisiert und die Übertragungsschaltung
124 überträgt Datenpakete, die die digitalisierten Signale beinhalten. Die Lösung besitzt jedoch den Nachteil, dass die A/D-Umwandlung und die digitale Übertragung eine Verzögerung einführen, die häufig zu hoch ist, um eine Regelung innerhalb eines elektronischen Schaltwandlers zu ermöglichen, d. h. die Änderungsfrequenz des Signals
SREG ist höher als die Übertragungsfrequenz der Datenpakete. Aus diesem Grund wird die Lösung normalerweise nicht für die Rückkopplung des Signals
SREG verwendet, das als eine Funktion der Ausgangsspannung
Vout (für Spannungsgeneratoren) oder des Ausgangsstroms
iout (für Stromgeneratoren) bestimmt wird. Wie zum Beispiel im Dokument
US 2015/015156 A1 beschrieben, kann die Lösung verwendet werden, um weitere Signale
SA durch einen zweiten Optokoppler zu übertragen, während das Regelsignal
SREG des elektronischen Wandlers
10 mittels eines dedizierten Optokopplers übertragen wird.
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Darüber hinaus sind Lösungen bekannt, die zum Übertragen, zusammen mit dem Signal
SREG des elektronischen Wandlers, einer oder mehrerer Bitsequenzen, die ein oder mehrere zusätzliche Signale
SA identifizieren, eingesetzt werden können. Beispielsweise sind derartige Lösungen in den Dokumenten
EP 2 840 696 A2 und
US 2012/068614 A1 beschrieben.
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Im Dokument
US 2012/068614 A1 erzeugt die Übertragungsschaltung
124 zum Beispiel ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal, wobei das Tastverhältnis des Signals als eine Funktion des Signals
SREG bestimmt wird. Andererseits kann ein Bit eines zusätzlichen digitalen Signals übertragen werden, indem die Frequenz des PWM-Signals variiert wird, d. h. die Treiberschaltung
126 verwendet eine erste Frequenz, falls das Bit „0“ ist, und eine zweite Frequenz, falls das Bit „1“ ist. Daher ist die Übertragung des zusätzlichen Signals schnell, falls die Bitsequenz eine begrenzte Länge besitzt, z. B. falls es nur notwendig ist, ein einzelnes Bit zu übertragen, wie etwa z. B. ein Bit, das identifiziert, ob die Spannung höher oder niedriger als eine gegebene Schwelle ist.
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Aufgabe und Kurzfassung
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Die vorliegende Spezifikation zielt darauf ab, Lösungen zum Übertragen von einem oder mehreren Signalen zusätzlich zu einem Hauptrückkopplungssignal von der Sekundärseite zur Primärseite in einem elektronischen Wandler bereitzustellen.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen wird die Aufgabe dank eines elektronischen Wandlers mit den in den folgenden Ansprüchen dargelegten Merkmalen erzielt. Die Ansprüche betreffen auch ein entsprechendes Beleuchtungssystem.
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Die Ansprüche sind ein integraler Teil der vorliegend unter Bezugnahme auf die Erfindung bereitgestellten technischen Lehre.
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Wie zuvor erwähnt, betreffen verschiedene Ausführungsformen Lösungen zum Übertragen von einem oder mehreren Signalen zusätzlich zu einem Hauptrückkopplungssignal von der Sekundärseite zur Primärseite in einem elektronischen Wandler.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der elektronische Wandler zwei Eingangsanschlüsse zum Empfangen einer Eingangsspannung und zwei Ausgangsanschlüsse zum Bereitstellen einer Gleichspannung oder eines Gleichstroms.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der elektronische Wandler einen Transformator und eine Schaltstufe, die dazu ausgelegt ist, Leistung selektiv von den Eingangsanschlüssen zu der Primärwicklung des Transformators zu transferieren. Eine Gleichrichter-und-Filter-Schaltung ist zwischen der Sekundärwicklung des Transformators und den Ausgangsanschlüssen geschaltet.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen, um die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom zu regeln, beinhaltet der elektronische Wandler eine Messschaltung, die dazu ausgelegt ist, ein erstes Signal zu bestimmen, das die Spannung oder den Strom, die bzw. der durch die Ausgangsanschlüsse geliefert wird, angibt. Eine Regelschaltung erzeugt ein Regelsignal als eine Funktion des ersten Signals und eines oder mehrerer Referenzsignale und eine Treiberschaltung steuert die Schaltstufe als eine Funktion des Regelsignals an. Die Regelschaltung kann zum Beispiel ein PI- oder PID-Regler, ein Komparator mit Hysterese oder eine Vergleichsschaltung einschließlich zwei Komparatoren, die dazu ausgelegt ist, das erste Signal mit einer unteren Schwelle und einer oberen Schwelle zu vergleichen, sein.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der elektronische Wandler, um das erste Signal und mindestens ein zweites Signal zu übertragen, einen optischen, induktiven oder kapazitiven Optokoppler, eine Übertragungsschaltung und eine Empfängerschaltung. Das zweite Signal kann zum Beispiel durch einen Sensor, der dazu ausgelegt ist, die Art und/oder den Betriebsstatus eines Beleuchtungsmoduls zu detektieren, einen Lichtsensor, der dazu ausgelegt ist, das Licht in der Umgebung und/oder die Helligkeit und/oder die Farbe des durch das Beleuchtungsmodul emittierten Lichts zu detektieren, einen Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, die Temperatur des elektronischen Wandlers und/oder des Beleuchtungsmoduls zu detektieren, und/oder einen Sensor anderer Umgebungsdaten, z. B. der Umgebungstemperatur, bereitgestellt werden.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen erzeugt die Übertragungsschaltung ein pulsweitenmoduliertes Signal, das an den Eingang des optischen, induktiven oder kapazitiven Kopplers angelegt wird, wobei die Übertragungsschaltung das Tastverhältnis und die Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals als eine Funktion des ersten Signals und des zweiten Signals variiert.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen überwacht die Empfängerschaltung das Signal, das an dem Ausgang des optischen, induktiven oder kapazitiven Kopplers empfangen wird.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die Empfängerschaltung zum Beispiel Mittel zum Erzeugen eines dritten Signals, das das Tastverhältnis des empfangenen Signals angibt, über eine Tiefpass- oder Tiefbandfilterung des empfangenen Signals.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die Empfängerschaltung zusätzlich Mittel zum Erzeugen eines vierten Signals, das die Frequenz des empfangenen Signals angibt. Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhalten derartige Mittel zum Beispiel eine Schaltung, z. B. eine monostabile Schaltung, die dazu ausgelegt ist, ein gepulstes Signal einschließlich eines Impulses mit fester Dauer, jedes Mal, wenn das empfangene Signal eine steigende Flanke und/oder eine fallende Flanke beinhaltet, zu erzeugen. Ein Tiefpass- oder Bandpassfilter kann daher das vierte Signal durch Filtern des gepulsten Signals erzeugen. Bei verschiedenen Ausführungsformen variiert die Übertragungsschaltung zum Beispiel das Tastverhältnis als eine Funktion des ersten Signals und variiert die Frequenz als eine Funktion des zweiten Signals. In diesem Fall gibt das dritte Signal daher das erste Signal an und das vierte Signal gibt das zweite Signal an.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen entspricht ein Referenzsignal der Regelschaltung direkt dem vierten Signal. Dies kann zum Beispiel nützlich sein, falls das erste Signal den durch den elektronischen Wandler bereitgestellten Strom angibt und falls das zweite Signal einen Maximalstrom angibt.
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Bei anderen Ausführungsformen kann bzw. können ein oder mehrere Referenzsignale als eine Funktion des vierten übertragenen Signals und eines weiteren Signals, das an der Primärseite erzeugt wird, z. B. eines Signals, das durch die Treiberschaltung, einen Sensor und/oder einen Empfänger bereitgestellt wird, und/oder eines Signals, das durch einen weiteren Anschluss des elektronischen Wandlers empfangen wird, bestimmt werden. In diesem Fall kann das weitere Signal z. B. ein Dimmsignal sein.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden jetzt lediglich mittels eines nicht beschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die angefügten Ansichten beschrieben, wobei:
- - 1 bis 5 schon vorstehend beschrieben worden sind,
- - 6 eine Ausführungsform eines elektronischen Wandlers mit einer Rückkopplungsschaltung darstellt;
- - 7 eine Ausführungsform einer Rückkopplungsschaltung für den elektronischen Wandler von 6 darstellt;
- - 8 eine erste Ausführungsform eines elektronischen Wandlers mit einer Rückkopplungsschaltung gemäß der vorliegenden Spezifikation darstellt;
- - 9 eine Ausführungsform einer Rückkopplungsschaltung für den elektronischen Wandler von 8 darstellt;
- - 10 mögliche Wellenformen der Rückkopplungsschaltung von 9 darstellt;
- - 11 eine zweite Ausführungsform eines elektronischen Wandlers mit einer Rückkopplungsschaltung gemäß der vorliegenden Spezifikation darstellt;
- - 12 eine dritte Ausführungsform eines elektronischen Wandlers mit einer Rückkopplungsschaltung gemäß der vorliegenden Spezifikation darstellt;
- - 13 eine vierte Ausführungsform eines elektronischen Wandlers mit einer Rückkopplungsschaltung gemäß der vorliegenden Spezifikation darstellt;
- - 14 eine Ausführungsform einer Übertragungsschaltung für eine Rückkopplungsschaltung darstellt;
- - 15, 16 und 17 mögliche Wellenformen der Rückkopplungsschaltung von 14 darstellen;
- - 18 und 20 weitere Ausführungsformen einer Übertragungsschaltung für eine Rückkopplungsschaltung darstellen und
- - 19 und 21 mögliche Wellenformen der Rückkopplungsschaltungen der 18 und 20 darstellen.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
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In der folgenden Beschreibung sind verschiedene spezifische Einzelheiten gegeben, um ein eingehendes Verständnis der Ausführungsformen bereitzustellen. Die Ausführungsformen können ohne eine oder mehrere spezifische Einzelheiten oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. umgesetzt werden. In anderen Beispielen sind wohlbekannte Strukturen, Materialien oder Handlungen nicht ausführlich dargestellt oder beschrieben, um zu vermeiden, verschiedene Aspekte der Ausführungsformen zu verschleiern.
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Ein Bezug durchgehend durch diese Spezifikation auf „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein spezielles Merkmal, eine spezielle Struktur oder eine spezielle Charakteristik, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in mindestens einer Ausführungsform enthalten ist. Somit beziehen sich die möglichen Erscheinungen der Phrase „bei einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen durchgehend durch diese Spezifikation nicht notwendigerweise alle auf exakt die gleiche Ausführungsform. Des Weiteren können spezielle Merkmale, Strukturen oder Charakteristiken in einer oder mehreren Ausführungsformen auf eine beliebige geeignete Art und Weise kombiniert werden.
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Die vorliegend bereitgestellten Überschriften sind nur zur Zweckmäßigkeit und interpretieren daher nicht das Schutzausmaß oder den Schutzumfang der Ausführungsformen.
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In den folgenden 6 und 21 sind die Teile, die Elemente oder die Komponenten, die schon mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben worden sind, mit den gleichen Bezügen bezeichnet, die in den Figuren zuvor verwendet worden sind; die Beschreibung der zuvor beschriebenen Elemente wird nicht im Folgenden wiederholt, um die vorliegende ausführliche Beschreibung nicht zu überlasten.
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Wie zuvor erwähnt, stellt die vorliegende Spezifikation eine Lösung zum Übertragen von einem oder mehreren Signalen zusätzlich zu einem Hauptrückkopplungssignal von der Sekundärseite zur Primärseite in einem elektronischen Wandler bereit, wie zuvor unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben. Daher wird die Beschreibung davon nicht im Folgenden wiederholt.
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Ähnlich zu dem, was unter Bezugnahme auf 5 beschrieben worden ist, stellt 6 zum Beispiel einen elektronischen Wandler 10 mit Stromsteuerung dar, d. h. der elektronische Wandler 10 ist ein Stromgenerator, der einen geregelten Strom iout liefert.
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Daher, wie zuvor unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben, beinhaltet der elektronische Wandler 10 an der Primärseite mindestens eine Schaltstufe 112 und optional eine Filterschaltung 110. Falls die Eingangsspannung Vin eine Wechselspannung ist, kann der elektronische Wandler 10 auch eine Gleichrichtungsschaltung 108 und optional ein Eingangsfilter 106 beinhalten. Andererseits beinhaltet der elektronische Wandler 10 an der Sekundärseite eine Gleichrichtungsschaltung 114 und optional eine Filterschaltung 116.
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Um die Regelung durchzuführen, d. h. um den Ausgangsstrom iout zu einem gewünschten Wert zu regeln, beinhaltet der elektronische Wandler 10 eine Rückkopplungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Regelsignal FBREG als eine Funktion des Ausgangsstroms iout zu erzeugen, und eine Steuerschaltung 118, die dazu ausgebildet ist, ein oder mehrere Treibersignale DRV für die Schaltstufe 112 als eine Funktion des Rückkopplungssignals FBREG zu erzeugen.
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In der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform beinhaltet die Rückkopplungsschaltung zum Beispiel eine Messschaltung 122, die dazu ausgelegt ist, ein Signal SREG , das den Ausgangsstrom iout angibt, zu erzeugen. In der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform entspricht der negative Anschluss der Filterschaltung 116 (die typischerweise direkt mit dem negativen Ausgangsanschluss der Gleichrichtungsschaltung 114 verbunden ist) zum Beispiel der Masse GND an der Sekundärseite. In der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform ist ein sogenannter Shunt-Widerstand RS (z. B. direkt) zwischen Masse GND und dem negativen Ausgangsanschluss 104b geschaltet, während der positive Ausgangsanschluss 104a (z. B. direkt) mit dem positiven Ausgangsanschluss der Filterschaltung 116 verbunden ist. Daher kann die Spannung am Shunt-Widerstand Rs als das Signal SREG verwendet werden, da die Spannung den Ausgangsstrom iout angibt. Es können jedoch andere Stromsensoren eingesetzt werden.
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Die Rückkopplungsschaltung beinhaltet darüber hinaus Folgendes:
- - einen Optokoppler/Optoisolator 126, der z. B. eine LED und einen Phototransistor oder andere optische, kapazitive oder induktive Übertragungs- und Empfangsmittel beinhaltet;
- - eine Übertragungsschaltung 124, die dazu ausgelegt ist, den Optokoppler 126 als eine Funktion des Signals SREG anzusteuern; und
- - eine Empfängerschaltung 128, die dazu ausgelegt ist, den Ausgang des Optokopplers 126 zu überwachen, um ein Signal S'REG zu detektieren, das das Signal SREG angibt.
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7 stellt zum Beispiel eine mögliche Ausführungsform der Übertragungsschaltung 124 und der Empfängerschaltung 128 dar.
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Wie vorstehend dargelegt, ist die Übertragungsschaltung 124 dazu ausgelegt, ein Treibersignal iTX , wie etwa z. B. einen Ansteuerstrom, für den Optokoppler 126, d. h. das optische, kapazitive oder induktive Übertragungs- und Empfangsmittel, zu erzeugen. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das Treibersignal iTX ein pulsweitenmoduliertes Signal, wobei die Übertragungsschaltung 124 das Tastverhältnis des Signals als eine Funktion des Signals SREG variiert.
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In 7 beinhaltet die Übertragungsschaltung 124 zum Beispiel zu diesem Zweck eine Oszillatorschaltung 1244 und einen Komparator 1242. Genauer gesagt, ist die Oszillatorschaltung 124 dazu ausgelegt, ein Dreiecksignal (bei dem die Anstiegsperiode vorzugsweise der Abfallperiode entspricht) oder ein Sägezahnsignal (d. h. die Abfallperiode ist im Wesentlichen null) mit einer gegebenen Oszillationsfrequenz zu erzeugen, die z. B. zwischen 10 und 500 kHz, z. B. 30 kHz, gewählt wird. Der Komparator 1242 empfängt sowohl das Signal SREG (typischerweise am positiven Anschluss) als auch das Signal, das durch die Oszillatorschaltung 1244 erzeugt wird, (typischerweise am negativen Anschluss) und stellt am Ausgang das Treibersignal iTX bereit. Daher hängt die Periode, während der das Signal am Ausgang des Komparators 1242 hoch ist, von der Amplitude des Signals SREG ab, während die Frequenz des Signals der Frequenz des Signals, das durch die Oszillatorschaltung 1244 erzeugt wird, entspricht.
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Daher überträgt der Optokoppler 126 ein PWM-Signal, wobei das Tastverhältnis von der Amplitude des Signals SREG abhängt.
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Die Empfängerschaltung 128 ist daher dazu ausgelegt, ein Signal S'REG zu bestimmen, das das Tastverhältnis des übertragenen Signals angibt.
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Falls der Optokoppler zum Beispiel einen npn-Phototransistor beinhaltet, kann der Drain eines derartigen Transistors mit einer Referenzspannung verbunden sein, z. B. der VDC-Spannung, die durch Niederspannungsschaltungen verwendet wird, wie etwa z. B. eine Spannung von 3, 3,3 oder 5,0 V Gleichspannung. Daher liefert der Emitter eines derartigen Transistors ein Signal, das das übertragene optische Signal angibt.
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Bei der vorliegend in Betracht gezogenen Ausführungsform wird das Signal zu einer Tiefpass- oder Bandpassfilterschaltung geliefert, die daher ein Signal bestimmt, das den durchschnittlichen übertragenen Wert angibt, der im Gegenzug vom Tastverhältnis des übertragenen Signals abhängt. Im einfachsten Fall ist die Filterschaltung zum Beispiel ein RC-Filter, das z. B. einen Widerstand R und einen Kondensator C beinhaltet, die zwischen dem Emitter des Phototransistors und Masse GND geschaltet sind. Es ist jedoch auch möglich, aktive Filter zu verwenden.
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Daher kann das Signal am Ausgang der Filterschaltung, z. B. die Spannung am Kondensator C, als das Signal S'REG verwendet werden. In den gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsformen gibt daher das Signal S'REG , das durch die Empfangsschaltung bereitgestellt wird, den Ausgangsstrom iout an (und ist typischerweise proportional zu diesem).
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Wie in 6 dargestellt, kann das Signal S'REG daher verwendet werden, um den Betrieb der Schaltstufe 112 zu steuern.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen wird das Signal S'REG zum Beispiel zu einer Regelschaltung 130 geliefert, die dazu ausgelegt ist, ein Regelsignal FBREG als eine Funktion des Signals S'REG und eines oder mehrerer Referenzsignale REF zu erzeugen. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Regelschaltung 130 zum Beispiel ein PI- oder ein PID-Regler oder ein Komparator mit Hysterese.
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Daher kann die Steuereinheit 118 in der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform eine herkömmliche dedizierte integrierte Schaltung sein (z. B. eine PWM-Steuerung), die dazu ausgelegt ist, die Schaltstufe 112 als eine Funktion des Regelsignals FBREG anzusteuern.
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8 stellt eine Ausführungsform dar, bei der die Schaltung in 6 modifiziert worden ist, um die Übertragung eines zusätzlichen analogen Signals SA, das durch eine Schaltung 132 bereitgestellt wird, zu ermöglichen.
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Das zusätzliche analoge Signal SA kann zum Beispiel durch eine Schaltung 132, die dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung Vout zu detektieren, wie etwa z. B. einen Spannungsteiler, bereitgestellt werden. Es können jedoch andere Schaltungen 132 verwendet werden, die ein zusätzliches Signal bereitstellen, wie etwa z. B.:
- - ein Sensor, der dazu ausgelegt ist, die Art und/oder den Betriebsstatus des Beleuchtungsmoduls 20 zu detektieren; und/oder
- - ein Lichtsensor, der dazu ausgelegt ist, das Umgebungslicht oder die Helligkeit und/oder die Farbe des durch das Beleuchtungsmodul 20 emittierten Lichts zu detektieren; und/oder
- - ein Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, die Temperatur des elektronischen Wandlers 10 und/oder des Beleuchtungsmoduls 20 zu detektieren;
- - ein Sensor anderer Umgebungsdaten, wie etwa z. B. der Umgebungstemperatur.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Übertragungsschaltung 124 dazu ausgelegt, das zusätzliche analoge Signal SA (zusammen mit dem Signal SREG ) durch Variieren der Frequenz des PWM-Signals als eine Funktion des Signals SA zu übertragen.
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In der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform ist die Empfängerschaltung 128 daher dazu ausgelegt, (zusätzlich zu dem Signal S'REG ) ein Signal SA' zu erzeugen, das die Frequenz des PWM-Signals, das über den Optokoppler 126 übertragen wird, angibt.
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Die Steuerschaltung 118 kann zum Beispiel das Signal einsetzen, um den Betrieb der Schaltstufe zu steuern, z. B. um den Wandler auszuschalten, falls eine Fehlfunktion detektiert wird.
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9 stellt zum Beispiel eine Ausführungsform dar, bei der die Oszillatorschaltung 1244 einen Oszillator mit steuerbarer Frequenz beinhaltet, z. B. einen spannungsgesteuerten Oszillator. Daher ist die Oszillatorschaltung 1244 in der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform dazu ausgelegt, ein dreieck- oder sägezahnförmiges Signal mit einer Oszillationsfrequenz zu erzeugen, die als eine Funktion des Signals SA bestimmt wird, z. B. in einem Bereich von 10-500 kHz gewählt wird. 10 stellt zum Beispiel eine mögliche Form des Signals SA und eines relativen Signals OSC am Ausgang des Oszillators 1244 dar.
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Daher erzeugt der Komparator 1242 das Treibersignal für den Optokoppler 126 durch Vergleichen des Signals SREG (mit variabler Amplitude) mit dem Signal OSC (mit variabler Frequenz). 10 stellt zum Beispiel auch mögliche Wellenformen für die Signale SREG und iTX dar.
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Wie vorstehend dargelegt, ermöglicht ein erstes Filter (einschließlich z. B. eines Widerstands R und eines Kondensators C) die Wiederherstellung des Signals S'REG . 10 stellt ein Beispiel für das rekonstruierte Signal S'REG dar.
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Darüber hinaus beinhaltet die Empfängerschaltung 128 Mittel zum Erzeugen eines Signals SA', das die Frequenz des übertragenen PWM-Signals angibt.
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Bei der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform wird das Signal am Ausgang des Optokopplers 126 zum Beispiel auch zu einer Schaltung MS geliefert, die dazu ausgelegt ist, einen Impuls mit fester Dauer jedes Mal, wenn das Signal am Ausgang der Empfängerschaltung 126 eine steigende Flanke (und/oder eine fallende Flanke) aufweist, zu erzeugen. Die Schaltung MS kann zum Beispiel über eine monostabile Schaltung implementiert werden. 10 stellt auch ein Beispiel für die Spannung VMS am Ausgang der Schaltung MS dar.
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Bei der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform wird das Signal am Ausgang der Schaltung MS dann mittels eines Tiefpass- oder Bandpassfilters gefiltert. Bei der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform wird zum Beispiel ein RC-Filter verwendet, das einen Widerstand Rp und einen Kondensator Cp beinhaltet, die zwischen dem Ausgang der Schaltung MS und Masse geschaltet sind. Daher erzeugt die Schaltung ein Signal SA', das den durchschnittlichen Spannungswert am Ausgang der Schaltung MS angibt, der im Gegenzug (wobei die Impulsdauer konstant ist) von der Frequenz des übertragenen Signals abhängt. 10 stellt auch ein Beispiel für das rekonstruierte Signal SA' dar.
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Daher überträgt die in den 8 und 9 dargestellte Rückkopplungsschaltung ein PWM-Signal. Genauer gesagt, beinhaltet das Signal Impulse mit einer gegebenen Ein-Zeit Ton und Aus-Zeit Toff, wobei die Impulse periodisch mit einer Dauer T = Ton + Toff wiederholt werden. Genauer gesagt, überträgt die Übertragungsschaltung 124 ein PWM-Signal, wobei das Tastverhältnis DC = Ton/T als eine Funktion eines ersten Signals (typischerweise des Signals SREG , das für die Regelung des Ausgangs des elektronischen Wandlers verwendet wird,) bestimmt wird und die Frequenz f = 1/T als eine Funktion eines zweiten Signals bestimmt wird.
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Allgemein gesagt, können die Schaltungen 124 und 128 auch verwendet werden, falls der elektronische Wandler 10 ein Spannungsgenerator ist (ähnlich zu dem, was unter Bezugnahme auf 5 beschrieben worden ist).
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11 stellt eine zweite Ausführungsform eines elektronischen Wandlers 10 dar, der verwendet werden kann, falls die Schaltung 132 ein Signal bereitstellt, das den Strom iout , den der Wandler liefern soll, direkt bestimmt.
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In diesem Fall kann die Regelschaltung 130 daher das Signal SA' direkt als ein Referenzsignal der Regelschaltung 130 verwenden. Fall zum Beispiel die Schaltung 130 einen PI- oder PID-Regler beinhaltet, variiert der Regler das Signal FBREG , bis das Signal S'REG dem Signal SA' entspricht.
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Bei der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform kann die Steuereinheit 118 daher eine herkömmliche Treiberschaltung sein, wie unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
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Diese Ausführungsform kann zum Beispiel verwendet werden, falls die Schaltung 132 einen Temperatursensor, z. B. einen NTC, beinhaltet, und der Ausgangsstrom (oder die Ausgangsspannung) iout (Vout ) sollte verringert werden, falls die Temperatur des elektronischen Wandlers 10 und/oder des Beleuchtungsmoduls eine gegebene Schwelle überschreitet.
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Gleichermaßen kann die Schaltung 132 Mittel zum Detektieren der Art des Beleuchtungsmoduls 20 (z. B. durch Erfassen des Werts eines Widerstands innerhalb des Beleuchtungsmoduls 20) und zum Erzeugen eines Signals SA, das den Strom (oder die Spannung) angibt, der (bzw. die) durch das Beleuchtungsmodul 20 benötigt wird, beinhalten.
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Darüber hinaus, falls der elektronische Wandler ein Stromgenerator ist, kann die Schaltung 132 dazu ausgelegt sein, ein Signal SA zu erzeugen, das die benötigte Helligkeit angibt. Zu diesem Zweck kann die Schaltung 132 Mittel, wie etwa z. B. ein Potentiometer, um das Signal SA direkt zu variieren, oder einen Empfänger (z. B. einen Hochfrequenz- oder Infrarotempfänger), um Befehle von einem Fernsender, wie etwa z. B. einer Fernsteuerung oder einem Umgebungslichtsensor zu empfangen, beinhalten.
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In den bekannten Lösungen wurde der Regler 130 nur an der Sekundärseite bereitgestellt, sodass nur das Fehlersignal FBREG zur Primärseite übertragen werden musste, wodurch die Übertragung mehrerer Signale vermieden wurde. Der Erfinder hat jedoch beobachtet, dass in vielen Anwendungen das eine oder die mehreren Referenzsignale REF der Regelschaltung 130 als eine Funktion von Signalen, die sowohl an der Primär- als auch Sekundärseite erzeugt werden, bestimmt werden müssen.
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Wie zum Beispiel in 12 dargestellt, kann der elektronische Wandler 10 eine Schaltung 134 beinhalten, die dazu ausgelegt ist, ein oder mehrere Referenzsignale REF für die Regelschaltung 130 als eine Funktion von Folgendem zu erzeugen:
- - dem übertragenen Signal SA' und
- - einem Signal, das an der Primärseite des elektronischen Wandlers 10 erzeugt wird, z. B. durch die Steuerschaltung 118 bereitgestellt wird; und/oder
- - einem Signal, das über einen Anschluss 102c empfangen wird und/oder durch einen Sensor oder Empfänger 136, wie etwa z. B. einen drahtlosen Empfänger, der an der Primärseite des elektronischen Wandlers 10 angeordnet ist, erzeugt wird.
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Allgemein gesagt, können die Sensoren oder Empfänger 136 ein oder mehrere der Sensoren oder Empfänger sein, die unter Bezugnahme auf die Mittel 132 beschrieben werden.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen stellt die Schaltung 132 zum Beispiel ein Signal SA bereit, das den maximalen Ausgangsstrom angibt. Wie zum Beispiel vorstehend dargelegt, kann die Schaltung 132 zu diesem Zweck den Widerstandswert eines Widerstands innerhalb des Beleuchtungsmoduls 20 erfassen. Allgemein gesagt, kann die Schaltung 132 den Wert über eine beliebige analoge oder digitale Kommunikation erhalten. Andererseits kann die Schaltung 118, der Anschluss 102c und/oder der Sensor oder Empfänger 136 ein Dimmsignal bereitstellen, z. B. ein Signal, das einen Prozentsatz der maximalen benötigten Helligkeit identifiziert. In diesem Fall kann die Schaltung 134 daher das Signal SA', das den Maximalstrom angibt, und das Dimmsignal kombinieren, um ein Referenzsignal REF zu erzeugen, das den gegenwärtig benötigten Strom angibt, um die gewünschte Helligkeit zu erzielen.
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Gleichermaßen kann die Schaltung 118 ein Signal bereitstellen, das den maximalen benötigten Strom angibt, und optional kann der Anschluss 102c und/oder der Sensor oder Empfänger 136 ein Signal bereitstellen, das einen Prozentsatz der maximalen benötigten Helligkeit identifiziert. Umgekehrt kann die Schaltung 132 dazu ausgelegt sein, eine Fehlfunktion des Beleuchtungsmoduls 20 (z. B. überhöhte Temperatur, Kurzschluss usw.) zu detektieren und ein Signal SA zu erzeugen, das eine derartige Fehlfunktion angibt. Falls keine Fehlfunktion detektiert wird, kann die Schaltung 134 daher ein Referenzsignal REF erzeugen, das den Strom, der zu dem Zeitpunkt benötigt wird, als eine Funktion des Signals, das durch die Steuerschaltung 118 (und optional den Anschluss 102c und/oder den Sensor oder Empfänger 134) bereitgestellt wird, angibt. Umgekehrt, falls eine Fehlfunktion detektiert wird, kann die Schaltung 134 das Referenzsignal REF verringern, um den Ausgangsstrom zu verringern (z. B. im Fall einer Detektion einer Temperaturzunahme des Beleuchtungsmoduls 20) oder kann den elektronischen Wandler 10 deaktivieren.
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Daher ermöglicht die unter Bezugnahme auf 12 beschriebene Ausführungsform die Kombination verschiedener Signale von der Sekundär- sowie der Primärseite, um ein einziges Referenzsignal (oder optional mehrere davon, zum Beispiel falls mehrere Komparatoren verwendet werden) zur Regelung zu erzeugen.
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Somit ermöglichen die zuvor beschriebenen Ausführungsformen das Übertragen der Amplitude eines einzigen zusätzlichen analogen Signals SA durch ein im Wesentlichen kontinuierliches Variieren der Frequenz des übertragenen PWM-Signals. Allgemein gesagt, kann das übertragene Signal SA auch als eine Funktion mehrerer Signale erzeugt werden. Die Amplitude des Signals SA kann zum Beispiel schon aus der Kombination eines ersten Signals, das den Maximalstrom angibt, und eines zweiten Signals, das die Temperatur des Beleuchtungsmoduls 20 angibt, und/oder eines Dimmsignals stammen.
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Allgemein gesagt, kann das Signal SA auch ein digitales Signal sein. Zu diesem Zweck ist es zum Beispiel auch möglich, einen Digital/Analog-Wandler zu verwenden, der wiederum ein analoges Signal zum Oszillator 1244 bereitstellt, oder der Oszillator 1244 kann mehrere diskrete Frequenzen und eine digitale Steuerung unterstützen.
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Andererseits stellt 13 eine Ausführungsform dar, bei der zwei Digitalschaltungen zum Übertragen des Signals SREG und des Signals SA verwendet werden.
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Genauer gesagt, ist an der Sekundärseite eine erste Digitalschaltung 152 bereitgestellt, die dazu ausgelegt ist, eine Übertragungsschaltung TX (ähnlich zu dem, was zuvor unter Bezugnahme auf das Treibersignal iTX beschrieben worden ist) oder ein PWM-Signal zu erzeugen, wobei das Tastverhältnis als eine Funktion eines ersten Signals (z. B. SREG ) bestimmt wird und die Frequenz als eine Funktion eines zweiten Signals (z. B. SA) bestimmt wird.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Digitalschaltung 152 eine damit assoziierte Analog/DigitalSchaltung (in 13 nicht dargestellt) zum Umwandeln des Signals SREG und optional des Signals SA (falls das Signal analog ist) in jeweilige digitale Signale aufweisen.
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In diesem Fall erzeugt die Digitalschaltung 152, wie etwa z. B. ein Mikrocontroller, der über Softwarecode programmiert wird (der auch den A/D-Wandler enthalten kann), jedoch das PWM-Signal TX direkt durch Variieren des Tastverhältnisses und der Frequenz des Signals. Der PWM-Signalgenerator innerhalb der Schaltung 152 kann zum Beispiel als ein digitaler (Hardware- oder Software-) Zähler oder als ein Hardware-PWM-Signalgenerator implementiert werden. Daher kann in der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform:
- - das Tastverhältnis des Signals TX eine Anzahl von diskreten Werten aufweisen, die im Wesentlichen der Auflösung des Analog/Digital-Wandlers, der für die Umwandlung des zweiten Signals verwendet wird, (oder der Auflösung, die tatsächlich für die Umwandlung verwendet wird) entsprechen; und
- - die Frequenz des Signals TX eine Anzahl von diskreten Werten aufweisen, die im Wesentlichen der Auflösung des Analog/Digital-Wandlers, der für die Umwandlung des zweiten Signals verwendet wird, (oder der Auflösung, die tatsächlich für die Umwandlung verwendet wird) entsprechen.
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Die Digitalschaltung 152 kann eine damit assoziierte Treiberschaltung 154 aufweisen, die dazu konfiguriert sein kann, das Signal TX mittels des Optokopplers 126 zu übertragen. Beispielsweise stellt eine Digitalschaltung typischerweise eine Ausgangsspannung bereit. Daher kann die Treiberschaltung 154 einen Widerstand RTX beinhalten, der mit der Diode eines Optokopplers 126 zwischen dem Ausgang TX der Digitalschaltung 152 und Masse GND in Reihe geschaltet ist, wodurch der Maximalstrom gesetzt wird, falls der Logikpegel des Signals TX hoch ist.
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Gleichermaßen beinhaltet der elektronische Wandler 10 an der Primärseite eine zweite Digitalschaltung 158. Allgemein gesagt, kann die Schaltung 158 zur Steuereinheit 118 und/oder zur Regelschaltung 130 hinzugefügt werden oder kann zumindest teilweise die Funktionen der Steuereinheit 118 und/oder der Regelschaltung 130 durchführen.
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Bei der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform weist die Digitalschaltung 158 eine damit assoziierte Empfängerschaltung 156 auf, die dazu ausgebildet ist, ein Signal TX' zu erzeugen, das das Signal TX angibt, das über den Optokoppler 126, der optisch, kapazitiv oder induktiv sein kann, übertragen wird. Im einfachsten Fall kann zum Beispiel der Drain eines Phototransistors mit einer Referenzspannung (z. B. VDC) verbunden werden und der Emitter des Phototransistors kann das Signal TX' liefern.
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Daher kann die Digitalschaltung 158 in der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform das Signal TX' analysieren, um das Tastverhältnis und die Frequenz des Signals TX' zu bestimmen. Zu diesem Zweck ist es auch möglich, mindestens einen Zähler (Software oder Hardware) zu verwenden.
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Allgemein gesagt, können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auch kombiniert werden. In der Tat, da die Signale, die über den optischen/kapazitiven/induktiven Koppler 126 übertragen werden, im Wesentlichen identisch sind, ist es an der Primärseite möglich, die Schaltung 128 oder alternativ dazu die Schaltungen 156 und 158 zu verwenden. Gleichermaßen ist es an der Sekundärseite möglich, die Schaltung 124 oder alternativ dazu die Schaltungen 152 und 154 zu verwenden. Allgemein gesagt, ist es auch möglich, beide Schaltungen an der Primärseite, z. B. die Schaltung 124 für die Analyse des Tastverhältnisses (oder der Frequenz) und die Schaltungen 158/158 für die Analyse der Frequenz (oder des Tastverhältnisses), zu verwenden.
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Die zuvor beschriebenen Lösungen besitzen den Vorteil, dass ein herkömmlicher elektronischer Wandler 10, der die Rückkopplung eines einzigen analogen Regelsignals SREG unterstützt, auf eine derartige Weise modifiziert werden kann, dass verschiedene Funktionen unterstützt werden. In der Tat, wie unter Bezugnahme auf 12 beschrieben, reicht es aus, die Übertragungs- und Empfängerschaltungen 124/152 und 128/158 und eine Schaltung 134 hinzuzufügen, die dazu ausgelegt ist, ein oder mehrere Referenzsignale REF, die durch eine herkömmliche Regelschaltung 130 verwendet wird, als eine Funktion des zusätzlichen übertragenen Signals SA und/oder von Signalen, die an der Primärseite des Wandlers 10 empfangen oder erzeugt werden, zu erzeugen. Daher müssen, spezifisch mit einer analogen Lösung (siehe z. B. 9), nur wenige kostenniedrige Komponenten zum Implementieren der neuen Funktionen hinzugefügt werden.
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Der Erfinder hat beobachtet, dass, falls das Signal SA ein digitales Signal ist, das langsam variiert (im Vergleich zur Übertragungsfrequenz, d. h. der Frequenz des PWM-Signals, das durch den Optokoppler 126 übertragen wird), die Schaltungen 124 und 152 dazu ausgelegt sein können, die Bits des Signals SA der Reihe nach zu übertragen. In der Tat benötigt die zuvor unter Bezugnahme auf 13 beschriebene Lösung eine Digitalschaltung 152 mit einer hohen Taktfrequenz, um, auf eine im Wesentlichen kontinuierliche Weise, die Frequenz und zur gleichen Zeit das Tastverhältnis des PWM-Signals zu variieren. Im Gegensatz dazu kann ein Bit nur zwei Ebenen aufweisen. Daher kann das Signal SREG selbst mit einem niederfrequenten Mikroprozessor schnell übertragen werden, während das zusätzliche Signal SA langsam übertragen wird, indem nur ein Bit des zusätzlichen Signals SA zu jedem Zyklus übertragen wird.
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Allgemein gesagt, kann die übertragene Bitsequenz auch andere Daten beinhalten. Die Schaltungen 124 und 152 können zum Beispiel dazu ausgelegt sein, ein Datenpaket zu übertragen, das eine Bitsequenz beinhaltet, die mehrere hinzugefügte Signale (z. B. die Ausgangsspannung Vout und den Strom, der durch das Beleuchtungsmodul benötigt wird) identifiziert.
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Wie in 14 dargestellt, kann die Schaltung 124 zum Beispiel einen Analog-Digital-Wandler 1248 beinhalten, der dazu ausgelegt ist, ein oder mehrere hinzugefügte Signale SA, z. B. die beiden Signale SA1 und SA1 , in entsprechende digitale Signale umzuwandeln. Der Wandler 1248 ist lediglich optional, da die Signale SA schon digital sein können.
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Die digitalen Signale werden zu einem PISO(Parallel-In Serial-Out)-Register 1246 geliefert, das ein Signal DP bereitstellt, das einer Bitsequenz eines Datenpakets, das die digitalen Signale SA beinhaltet, entspricht.
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Daher weist in diesem Fall das PWM-Signal, das durch den optischen/kapazitiven/induktiven Koppler 126 übertragen wird, nur zwei mögliche Frequenzen auf. Vorzugsweise entspricht die höhere Frequenz fa (z. B. für ein „1“-Bit) einer Vielzahl der niedrigen Frequenz fb (z. B. für „0“-Bit).
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15 stellt zum Beispiel ein Beispiel für das Signal DP und ein entsprechendes Signal OSC, das durch die Oszillatorschaltung 1244 erzeugt wird, dar.
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Allgemein gesagt, wird das Lesen von Bits aus dem Register 1246 mit dem Betrieb der Oszillatorschaltung 1244 synchronisiert. In 15 findet das Lesen von Bits zum Beispiel bei einer festen Frequenz statt, wobei die Frequenz einem Bruchteil der unteren Frequenz fb, die durch die Oszillatorschaltung 1244 erzeugt wird, entspricht. Wie jedoch in 16 dargestellt, kann das Lesen von Bits auch am Ende der Übertragung des vorhergehenden Bits stattfinden, z. B. am Ende jedes Dreiecks oder jeder Rampe (oder nach einer gegebenen Anzahl von Dreiecken oder Rampen) im Signal OSC, das durch die Oszillatorschaltung 1244 erzeugt wird.
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Der Erfinder hat beobachtet, dass bei manchen Beispielen die Übertragung der vorstehend beschriebenen PWM-Signale elektromagnetische Störungen erzeugen können und/oder ein Flackern im emittierten Licht verursachen können.
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Bei statischen Bedingungen kann das übertragene Signal (iTX , TX) zum Beispiel einem PWM-Signal entsprechen, bei dem die Frequenz und das Tastverhältnis fest sind. Daher ist es möglich, Oberschwingungen, die aus diesen Rechteckwellenimpulsen stammen, mit fester Dauer zu erzeugen.
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Darüber hinaus, wie in 17 dargestellt, kann, durch das Übertragen von konstanten Bitsequenzen, genauer gesagt Sequenzen, die Bits enthalten, die alle zu einem ersten Wert gesetzt sind, außer einem einzelnen Bit, z. B. Sequenzen, wie etwa „1..10“ oder „0..01“, die periodische Übertragung derartiger Sequenzen zusätzliche niederfrequente Oberschwingungen erzeugen, die, wenn sie nicht richtig gefiltert werden, sogar eine niederfrequente Variation des Regelsignals FBREG und folglich des durch das Beleuchtungsmodul 20 emittierten Lichts verursachen können. Das gleiche Problem kann (typischerweise auf eine weniger offensichtliche Weise) mit einer analogen Übertragung auftreten, z. B. falls das zusätzliche Signal SA periodisch variiert.
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Letztlich sind die Mittel 126 (ungeachtet ihrer optischen, kapazitiven oder induktiven Art) nicht ideal. Infolgedessen sind die Signalschaltzeiten von hoch zu niedrig und umgekehrt nicht null. Derartige Schaltzeiten beeinträchtigen nicht nur das maximale implementierbare Tastverhältnis, sondern können zusätzlich dazu zu einem Tastverhältnis des übertragenen Signals führen, das auch als eine Funktion der Übertragungsfrequenz des PWM-Signals variiert. Daher wird das Signal S'REG (oder gleichermaßen TX', das innerhalb der Schaltung 158 digital gefiltert wird) eine Welligkeit aufweisen. Ähnlich zu dem, was vorstehend dargelegt worden ist, kann eine derartige Welligkeit auch eine Variation des Niederfrequenzsignals S'REG erzeugen, was eine sichtbare Variation des durch das Beleuchtungsmodul 20 emittierten Lichts erzeugt.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Bits des Signals DP unter Verwendung einer Manchester-Codierung übertragen, um derartige Effekte zu verringern.
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18 stellt zum Beispiel eine Ausführungsform dar, bei der eine Codierschaltung 1250 zwischen dem Oszillator 1244 und dem PISO-Register 1246 angeordnet ist. Genauer gesagt, ist die Codierschaltung 1250 dazu ausgelegt, am Eingang ein einzelnes Bit des DP-Signals zu empfangen, und stellt am Ausgang eine Sequenz von zwei Bits bereit, die zu Folgendem gesetzt sind:
- - „01“, falls das Bit des Signals DP einen ersten logischen Wert aufweist (z. B. DP = „0“); und
- - „10“, falls das Bit des Signals DP einen zweiten logischen Wert aufweist (z. B. DP = „1“).
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Alternativ dazu kann eine ähnliche Codierschaltung zwischen dem Analog-Digital-Wandler 1248 und dem PISO-Register 1246 angeordnet sein, d. h. die Bitsequenz des Signals DP kann schon mit einer Manchester-Codierung codiert sein.
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Daher empfängt die Oszillatorschaltung 1244 am Eingang eine Bitsequenz mit Manchester-Codierung.
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Daher empfängt die Oszillatorschaltung 1244 am Eingang eine Bitsequenz mit Manchester-Codierung. Vorzugsweise sind auch in diesem Fall die am Eingang empfangenen Bits mit dem Betrieb der Oszillatorschaltung 1244 synchronisiert.
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19 stellt zum Beispiel eine mögliche Bitsequenz MC für die Bits des Signals DP und ein entsprechendes Signal OSC, das durch die Oszillatorschaltung 1244 erzeugt wird, dar.
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Durch das Verwenden einer Manchester-Codierung ist der übertragene Wert daher aufgrund des Vorhandenseins einer Hochfrequenzwelligkeit vernachlässigbar, die teilweise durch den PI-/PID-Regler und mit einer beliebigen Rate, mit einer derartigen hohen Frequenz gefiltert wird, damit ausgehende sichtbare Variationen vermieden werden.
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Allgemein gesagt, ist es an der Primärseite möglich, eine Digital- oder Analogschaltung zu verwenden, um das Tastverhältnis des übertragenen Signals, z. B. des Signals SREG , zu bestimmen. Andererseits, da die Frequenz des übertragenen Signals kontinuierlich variiert, wird bevorzugt, eine Digitalschaltung (ähnlich zu der, die unter Bezugnahme auf 13 beschrieben wurde) für die Analyse der Frequenz des PWM-Signals zu verwenden.
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Allgemein gesagt, können die in den 14 und 18 dargestellten Schaltungen 124 auch mit einer Digitalschaltung 152 implementiert werden, die dazu ausgelegt ist, ein analoges Übertragungssignal TX, wie unter Bezugnahme auf 13 dargestellt, direkt zu erzeugen. Diese Ausführungsform besitzt jedoch den Nachteil, dass die Digitalschaltung, wie etwa z. B. ein Mikroprozessor, einen damit assoziierten schnellen Analog-Digital-Wandler aufweisen sollte und auch die Betriebsfrequenz der Digitalschaltung hoch sein sollte (z. B. mehrere MHz betragend), um die erneute Erzeugung eines PWM-Signals zu ermöglichen.
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Andererseits stellt 20 eine kombinierte Ausführungsform dar, die die analogen Komponenten eines typischen Mikrocontrollers 30 nutzt, um den Betrieb der in den 14 und 18 dargestellten Schaltungen 124 zu implementieren.
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Genauer gesagt, beinhaltet ein Mikrocontroller 30 typischerweise einen Mikroprozessor 302 und einen Speicher 304, der die Firmware für den Mikroprozessor 302 enthält. Ein Mikrocontroller 30 beinhaltet darüber hinaus häufig weitere dedizierte Hardwarekomponenten, die dazu ausgelegt sind, digitale Operationen durchzuführen, z. B. Zähler/Timer 306. Daher können die Komponenten verwendet werden, um die unter Bezugnahme auf 13 beschriebene Digitalschaltung 152 zu implementieren, z. B. um das Signal TX direkt zu erzeugen.
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Ein Mikrocontroller beinhaltet jedoch häufig zusätzlich analoge Komponenten, genauer gesagt einen analogen Komparator und optional einen Analog-Digital-Wandler. Daher können derartige Komponenten als ein Komparator 1242 und als ein Analog/Digital-Wandler 1248 verwendet werden.
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Wie jedoch vorstehend dargelegt, empfängt der Komparator 1242 am Eingang nicht nur das Signal SREG , sondern auch ein Signal OSC, das eine Dreieck- oder Sägezahnform aufweist.
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In diesem Szenario stellen die 20 und 21 eine mögliche Ausführungsform zum Erzeugen eines im Wesentlichen sägezahnförmigen Signals OSC dar.
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Genauer gesagt, ist der Mikroprozessor 302 in der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform dazu ausgelegt, zwei Signale zu erzeugen:
- - das Signal DP oder vorzugsweise das vorstehend beschriebene Signal MC
- - ein Signal OSC', wobei das Signal Folgendes beinhaltet:
- a) wenn das Signal DP/MC hoch ist, eine gegebene Anzahl von Impulsen (z. B. einen einzigen Impuls) mit einer ersten Frequenz und
- b) wenn das Signal DP/MC niedrig ist, eine gegebene Anzahl von Impulsen (z. B. zwei Impulse) mit einer zweiten Frequenz, wobei die zweite Frequenz höher ist als die erste Frequenz, z. B. zweimal die erste Frequenz ist.
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Bei der gegenwärtig in Betracht gezogenen Ausführungsform wird das Signal OSC' zu einem Filter RC geliefert, das einen Widerstand R1 und zwei Kondensatoren C1 und C2 beinhaltet, wobei der Kondensatoren C2 mittels eines elektronischen Schalters S2, der durch das Signal MC angesteuert wird, selektiv aktiviert werden kann. Daher entspricht die Ausgabe des Filters RC, d. h. die Spannung zum Kondensator C1, dem Signal OSC und das Signal MC wird zum Ändern der Frequenz des Filters RC verwendet, sodass:
- - a) wenn das Signal DP/MC hoch ist, das Filter RC eine erste Anstiegszeit (Kondensatorladezeit) aufweist und
- b) wenn das Signal DP/MC niedrig ist, das Filter RC eine zweite Anstiegszeit aufweist, wobei die zweite Anstiegszeit niedriger ist als die erste Anstiegszeit, z. B. die Hälfte der ersten Anstiegszeit.
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Falls Sie Erzeugung eines sägezahnförmigen Signals gewünscht wird, beinhaltet das Filter zusätzlich Mittel, z. B. eine Diode D1, die zwischen dem Signal OSC und dem Signal OSC' geschaltet sind, was daher ein Entladen (ohne den Eingriff des Widerstands R1) des Kondensators C1 (und optional des Kondensators C2) ermöglicht, wenn das Signal OSC' niedrig ist.
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Daher bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass die Signale DP/MC und OSC' auch Niederfrequenzsignale sein können, während das Signal TX durch analoge Mittel ohne die Notwendigkeit zum Umwandeln des Signals SREG in ein digitales Signal erzeugt wird.
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Natürlich, und ohne Beeinträchtigung des Prinzips der Erfindung, können die Implementierungseinzelheiten und die Ausführungsformen bezüglich dem, was vorliegend lediglich mittels eines nicht beschränkenden Beispiels beschrieben worden ist, selbst weiträumig variieren, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie durch die folgenden angefügten Ansprüche definiert ist.
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Bezugszeichenliste
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| Elektronischer Wandler |
10 |
| Eingangsanschluss |
102 |
| Ausgangsanschlüsse |
104 |
| Filterschaltung |
106 |
| Gleichrichtungsschaltung |
108 |
| Filterschaltung |
110 |
| Schaltstufe |
112 |
| Gleichrichtungsschaltung |
114 |
| Filterschaltungen |
116 |
| Steuerschaltung |
118 |
| Rückkopplungsschaltung |
120 |
| Messschaltung |
122 |
| Übertragungsschaltung |
124 |
| Komparator |
1242 |
| Oszillatorschaltung |
1244 |
| PISO-Register |
1246 |
| Analog-Digital-Wandler |
1248 |
| Codierschaltung |
1250 |
| Optokoppler |
126 |
| Empfängerschaltung |
128 |
| Regeleinheit |
130 |
| Schaltung, z. B. Temperatursensor |
132 |
| Schaltung zum Erzeugen eines Referenzsignals |
134 |
| Sensor oder Empfänger |
136 |
| Digitalschaltung |
152 |
| Treiberschaltung |
154 |
| Empfängerschaltung |
156 |
| Digitalschaltung |
158 |
| Beleuchtungsmodul |
20 |
| LED-Kette |
22 |
| Stromregler |
24 |
| Eingangsanschluss |
200 |
| Mikrocontroller |
30 |
| Mikroprozessor |
302 |
| Speicher |
304 |
| Zähler/Timer |
306 |
| Ansteuersignal |
DRV |
| Regelsignal |
FBREG |
| Ausgangsstrom |
iout |
| LED |
L |
| Referenzsignal |
REF |
| Schaltung, die dazu ausgelegt ist, einen Impuls zu erzeugen |
MS |
| Transformator |
T |
| Primärwicklung |
T1 |
| Sekundärwicklung |
T2 |
| Busspannung |
Vbus |
| Eingangsspannung |
Vin |
| Gleichgerichtete Eingangsspannung |
Vin,DC |
| Ausgangs spannung |
Vout |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2015015156 A1 [0035]
- EP 2840696 A2 [0036]
- US 2012068614 A1 [0036, 0037]
