DE102018114271A1 - Betriebsschaltungen für LED-Lasten aufweisend eine Halbbrückenschaltung - Google Patents

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Abstract

Betriebsschaltung für eine LED-Last, aufweisend:- eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern,- einen vom Mittenpunkt der beiden Schalter aus versorgten Serienresonanzkreis,- einen Transformator, dessen Streuinduktivität Teil des Resonanzkreises ist und von dessen Sekundärseite aus Anschlüsse für eine LED-Last versorgt sind,- eine Steuerschaltung, die die Schalter der Halbbrücke hochfrequent taktet, wobei die Steuerschaltung der hochfrequenten Taktung eine im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert, wobei die hochfrequente Taktung fixfrequent ist und ein Dimmen einer an den Anschlüssen verbundenen LED-Last mittels Rückführregelung des Tastverhältnisses der PWM-Modulation auf einen veränderbaren Sollwert erreicht wird,wobei für die Rückführregelung der Steuerschaltung ein einen Strom durch die LED wiedergebendes Signal zugeführt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich grundsätzlich auf den Betrieb von Leuchtmitteln, insbesondere in der Form von LED-Lasten.
  • Aus der WO 2015/121011 A9 ist bereits eine Treiberschaltung für Leuchtmittel, insbesondere für eine oder mehrere LEDs bekannt, bei der die Leuchtmittel mittels eines Resonanzkreises gespeist werden.
  • Aus der WO 2015/062925 A2 ist eine Leuchtmittel-Betriebsschaltung mit getaktetem Konverter zum digitalen Einstellen einer Farbtemperatur und/oder eines Dimmpegels bekannt.
  • Aus der WO 2014/0679115 A2 ist ein selbst oszillierender Konverter bekannt.
  • Allgemein bezieht sich also die Erfindung auf Betriebsschaltung für LED-Lasten, die einen Resonanzkreis, vorzugsweise einen Serienresonanzkreis aufweisen.
  • Grundsätzlich ist es Trend, die Betriebsfrequenz derartiger LED-Treiber (also die Betriebsfrequenz, mit der der Serienresonanzkreis angeregt wird) zu erhöhen, um somit die Größe der passiven Bauteile zu verringern.
  • Ein Dimmen derartiger LED-Treiber mit Resonanzkreis kann natürlich durch Frequenzvariation (typischerweise oberhalb der Resonanzfrequenz), aber auch über einen Burst-Mode erfolgen, was bedeutet, dass die hochfrequente, den Resonanzkreis anregende AC-Spannung in Schüben ein- bzw. abgeschaltet wird. Dies wird im Folgenden auch als Niederfrequenz-PWM (LF-PWM) bezeichnet, da die Frequenz dieses Ein- und Abschaltens der hochfrequenten Frequenzpakete relativ niedrig ist im Vergleich zu der genannten hochfrequenten Anregungsfrequenz des Resonanzkreises.
  • Bei sogenannten Selbst-Schwingern, wie beispielsweise in der WO 2014/067915 A2 gelehrt, ist es im Vergleich zu extern angesteuerten Resonanzkreisen nicht einfach, den Ausgangsstrom und somit die Lichtleistung der LED-Strecke über Frequenz-Variation zu verändern. Daher ist es bekannt, bei derartigen selbstschwingenden Resonanzkreisen die Dimmung, wie auch eine Einstellung des Ausgangsstrombereiches über eine Niederfrequenz-PWM zu erzeugen.
  • Die Erfindung schlägt nunmehr Lösungen vor, wie LED-Lasten auch mit Hochfrequenz und ggf. mit variabler Frequenz betrieben werden können.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen eine Betriebsschaltung für eine LED-Last, wobei die Betriebsschaltung eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern aufweist. Die Halbbrückenschaltung wird typischerweise ausgehend von einer DC-Spannung versorgt, die beispielsweise durch Gleichrichtern und ggf. Filtern eine AC-Spannung insbesondere einer Netzspannung erzeugt werden kann. Indessen kann die Halbbrückenschaltung beispielsweise auch ausgehend von einer Batterie versorgt werden.
  • Vom Mittenpunkt der beiden Schalter aus wird ein Serienresonanzkreis versorgt. Weiterhin ist ein Transformator vorgesehen, dessen Streuinduktivität Teil des Resonanzkreises ist, und von dessen Sekundärseite aus Anschlüsse für eine LED-Last versorgt sind.
  • Gemäß der Erfindung ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die die Schalter der Halbbrücke hochfrequent taktet (es liegt somit kein Selbst-Schwinger-Prinzip vor). Dabei überlagert die Steuerschaltung der hochfrequenten Taktung eine in Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation („Burst-Mode“). Die hochfrequente Taktung kann fixfrequent sein, wobei ein Dimmen einer an den Anschlüssen verbundene LED-Last (also eine Veränderung des Stroms durch die LED-Last) mittels Rückführregelung des Tastverhältnisses der PWM-Modulation auf einen veränderbaren Sollwert erreicht wird. Für die Rückführregelung der Steuerschaltung kann ein einen Strom durch die LED wiedergebendes Signal an die Steuerschaltung zurückgeführt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Betriebsschaltung für eine LED-Last vorgesehen, die eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern aufweist. Vom Mittenpunkt der beiden Schalter aus ist ein Serienresonanzkreis versorgt. Ein Transformator ist vorgesehen, dessen Streuinduktivität Teil des Resonanzkreises ist, und von dessen Sekundärseite aus Anschlüsse für eine LED-Last versorgt sind. Ein Schalter taktet die Schalter der Halbbrücke hochfrequent, wobei die Steuerschaltung der hochfrequenten Taktung eine in Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert. Die hochfrequente Taktung kann dabei mittels Vorwärtssteuerung einstellbar sein. Das Tastverhältnis der PWM-Modulation wird mittels Rückführregelung verändert. Für die Rückführregelung wird der Steuerschaltung ein einen Strom durch die LED-Last wiedergebendes Signal zugeführt.
  • Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Betriebsschaltung für eine LED-Last, wobei die Betriebsschaltung eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern aufweist. Ein Serienresonanzkreis wird vom Mittenpunkt der beiden Schalter aus versorgt. Ein Transformator ist vorgesehen, dessen Streuinduktivität Teil des Resonanzkreises ist, und von dessen Sekundärseite aus Anschlüsse für eine LED-Last versorgt sind. Eine Steuerschaltung taktet die Schalter der Halbbrücke hochfrequent, wobei die Steuerschaltung der hochfrequenten Taktung eine in Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert („Burst-Betrieb“).
  • Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird die hochfrequente Taktung zum Dimmen in einem Dimmbereich oberhalb eines vorgegebenen Dimm-Schwellenwerts bzw. unterhalb einer bestimmten Halbbrückenfrequenz mit Rückführregelung auf einen vorgegebenen veränderbaren Sollwert geregelt, während dabei die PWM-Modulation mit 100% Tastverhältnis eingestellt ist.
  • In einem Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Dimm-Schwellenwerts bzw. oberhalb einer bestimmten Halbbrückenfrequenz die hochfrequente Taktung fixfrequent ist. Ein Dimmen einer an den Anschlüssen verbundenen LED-Last (das heißt, eine Veränderung der Lichtleistung bzw. des Stroms durch die LED-Last) wird mittels Rückführregelung wenigstens eines Parameters der PWM-Modulation (beispielsweise duty-cycle und/oder Phasenlage zwischen PWM und Halbbrückenfrequenz) auf einen veränderbaren Sollwert erreicht. Für die Rückführregelung der Steuerschaltung wird ein einen Strom durch die LED wiedergebendes Signal zugeführt.
  • Die hochfrequente Taktung der Halbbrücke erfolgt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 4 MHz, weiter bevorzugt 0,5 bis 2,5 MHz.
  • Die in Vergleich dazu niederfrequente Frequenz der PWM-Modulation kann in einem Bereich von 10 bis 50 kHz, vorzugsweise 15 bis 25 kHz liegen.
  • Die Steuerschaltung kann ein Mikrokontroller oder ein ASIC sein.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nunmehr bezugnehmend auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen erläutert werden.
  • Die Figur zeigt dabei schematisch eine Betriebsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In der Figur ist eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern HS (HS Side, Hochpotential), beziehungsweise LS (Low Side, Niederpotential) gezeigt, die jeweils wechselseitig getaktet werden ausgehend von Steuersignalen, die durch eine Steuerschaltung ST erzeugt sind.
  • Bekannterweise wird die Halbbrückenschaltung durch eine gleichgerichtete Wechselspannung oder Gleichspannung VDC versorgt.
  • Der Steuerschaltung ST können externe oder interne Dimmsignale D zugeführt werden, die als Sollwert für den Strom durch eine LED-Strecke LED dienen. An die Halbbrücke schließt sich ein Serienresonanzkreis mit einer Induktivität L und einem Kondensator C1 an, wobei weiterhin ein Transformator GT (galvanische Trennung) vorgesehen ist, dessen Streuinduktivität Teil des Resonanzkreises ist. Gegebenenfalls kann somit auch auf die Induktivität L verzichtet werden.
  • Auf der Sekundärseite des Transformators GT liegt üblicherweise eine Gleichrichterschaltung GR vor, die ein elektrisches Speicherelement wie beispielsweise einen weiteren Kondensator C2 speist, dessen Spannung wiederum direkt oder indirekt (beispielsweise über eine weitere Konverterstufe) die LED-Strecke LED versorgt.
  • Der Steuerschaltung ST können Rückführsignale vom Bereich der Halbbrückenschaltung HS, LS mittels eines Messwiderstands (Shunts) R1 zurückgeführt werden. Weiterhin kann auch ein Rückführsignal ausgehend von einem Shunt R2 in Serie zur LED-Strecke LED zurückgeführt werden, wobei das letztere Messsignal also den Strom durch die LED-Strecke wiedergibt.
  • Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt, neben der hochfrequenten Ansteuerung des Halbbrücken-Wechselrichters HS, LS ein in Vergleich dazu niederfrequentes PWM-Signal zum Überlagen (aufzumodulieren), so dass sich abhängig von dem Tastverhältnis des PWM-Signals „Burst“ von hochfrequenten Schaltvorgängen des Wechselrichters HS, LS ergeben, die von einer Totzeit unterbrochen sind, in denen eben kein Schaltbetrieb der Schalter HS, LS des Wechselrichters vorliegt.
  • Gemäß der Erfindung liegt also eine fremdgesteuerte Halbbrücke HS, LS vor, da die Ansteuersignale von einer Steuerschaltung ST erzeugt werden. Durch eine Mischung der Veränderung der Halbbrückenfrequenz und des Tastverhältnisses des überlagerten PWM-Signals (Burst-Modes) kann ein Dimmen der LED-Strecke, also eine Veränderung des Stroms durch die LED-Strecke erreicht werden.
  • Darüber hinaus kann auch die Phasenlage zwischen der hochfrequenten Halbbrückenfrequenz und der niederfrequenten PWM-Modulation der Strom durch die LED-Strecke verändert werden.
  • Beispielsweise ist gemäß der Erfindung ein Betrieb möglich, bei der die Frequenz der hochfrequenten Taktung des Halbbrücken-Wechselrichters fixfrequent ist. Ein Dimmen wird dann mittels Rückführregelung (mittels des Signals beispielsweise von dem Messwiderstand oder Shunt R2) durch Veränderung des Tastverhältnisses der der hochfrequenten Taktung überlagerten PWM-Modulation und/oder eine Veränderung der Phasenlagen zwischen der PWM-Modulation und der hochfrequenten Taktung erreicht. Wie gesagt, die Veränderung für das Dimmen erfolgt dabei mittels Rückführregelung der PWM-Modulation auf einen veränderbaren Sollwert D.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die hochfrequente Taktung nicht fixfrequent, sondern mittels reiner Vorwärtssteuerung einstellbar. Diese Einstellung kann beispielsweise abhängig von einem externen Signal B oder aber auch zur Anpassung abhängig von der Identifikation der verwendeten LED-Strecke (LED-Modul) erfolgen. Wiederum kann zum Dimmen dann das Tastverhältnis der PWM-Modulation mittels Rückführregelung veränderbar sein, wobei für die Rückführregelung der Steuerschaltung ein einen Strom durch die LED wiedergebendes Signal zugeführt ist.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung hängt die Kombination hochfrequente Taktung/PWM-Modulation vom einzustellenden Dimmwert ab. Dazu wird der Gesamt-Dimmbereich in mehrere Dimmbereiche unterteilt. In wenigstens einem dieser Bereiche und genauer gesagt oberhalb eines vorgegebenen Dimm-Schwellenwerts oder unterhalb einer bestimmten Halbbrückenfrequenz (aber immer noch typischerweise oberhalb der Resonanzfrequenz) wird dabei die hochfrequente Taktung mit Rückführregelung auf einen vorgegebenen veränderbaren Sollwert D geregelt. Dabei wird die PWM-Modulation mit 100% Tastverhältnis eingestellt, so dass also das Dimmen allein über die Veränderung der hochfrequenten Taktung erfolgt.
  • In einem weiteren Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Dimm-Schwellenwerts beziehungsweise oberhalb einer bestimmten Halbbrückenfrequenz kann die hochfrequente Taktung fixfrequent eingestellt sein. Dabei erfolgt dann das Dimmen einer an den Anschlüssen verbundenen LED-Last mittels Rückführregelung wenigstens eines Parameters der PWM-Modulation auf einen veränderbaren Sollwert D. Als Parameter der PWM-Modulation kommt beispielsweise das Tastverhältnis (duty-cycle) der PWM-Modulation und/oder die Phasenlage der zwischen der PWM-Modulation und den hochfrequenten Schaltvorgängen der Halbbrücken-Schaltung in Frage. Für die Rückführregelung wird die Steuerschaltung ein einen Strom durch die LED-Last wiedergebendes Signal zurückgeführt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2015/121011 A9 [0002]
    • WO 2015/062925 A2 [0003]
    • WO 2014/0679115 A2 [0004]
    • WO 2014/067915 A2 [0008]

Claims (6)

  1. Betriebsschaltung für eine LED-Last, aufweisend: - eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern, - einen vom Mittenpunkt der beiden Schalter aus versorgten Serienresonanzkreis, - einen Transformator, dessen Streuinduktivität Teil des Resonanzkreises ist und von dessen Sekundärseite aus Anschlüsse für eine LED-Last versorgt sind, - eine Steuerschaltung, die die Schalter der Halbbrücke hochfrequent taktet, wobei die Steuerschaltung der hochfrequenten Taktung eine im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert, wobei die hochfrequente Taktung fixfrequent ist und ein Dimmen einer an den Anschlüssen verbundenen LED-Last mittels Rückführregelung des Tastverhältnisses der PWM-Modulation auf einen veränderbaren Sollwert erreicht wird, wobei für die Rückführregelung der Steuerschaltung ein einen Strom durch die LED wiedergebendes Signal zugeführt ist.
  2. Betriebsschaltung für eine LED-Last, aufweisend: - eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern, - einen vom Mittenpunkt der beiden Schalter aus versorgten Serienresonanzkreis, - einen Transformator, dessen Streuinduktivität Teil des Resonanzkreises ist und von dessen Sekundärseite aus Anschlüsse für eine LED-Last versorgt sind, - eine Steuerschaltung, die die Schalter der Halbbrücke hochfrequent taktet, wobei die Steuerschaltung der hochfrequenten Taktung eine im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert, wobei die hochfrequente Taktung mittels Vorwärts steuerung einstellbar ist, und das Tastverhältnis der PWM-Modulation mittels Rückführregelung verändert wird, wobei für die Rückführregelung der Steuerschaltung ein einen Strom durch die LED wiedergebendes Signal zugeführt ist.
  3. Betriebsschaltung für eine LED-Last, aufweisend: - eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern, - einen vom Mittenpunkt der beiden Schalter aus versorgten Serienresonanzkreis, - einen Transformator, dessen Streuinduktivität Teil des Resonanzkreises ist und von dessen Sekundärseite aus Anschlüsse für eine LED-Last versorgt sind, - eine Steuerschaltung, die die Schalter der Halbbrücke hochfrequent taktet, wobei die Steuerschaltung der hochfrequenten Taktung eine im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert, - wobei die hochfrequente Taktung zum Dimmen in einem Dimmbereich oberhalb eines vorgegebenen Dimm-Schwellenwerts oder unterhalb einer bestimmten Halbbrückenfrequenz mit Rückführregelung auf einen vorgegeben veränderbaren Sollwert geregelt ist, während die PWM-Modulation mit 100% Tastverhältnis eingestellt ist, und - in einem Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Dimm-Schwellenwerts oder oberhalb einer bestimmten Halbbrückenfrequenz die hochfrequente Taktung fixfrequent ist und ein Dimmen einer an den Anschlüssen verbundener LED-Last mittels Rückführregelung wenigstens eines Parameters der PWM-Modulation (duty-cycle und/oder Phasenlage zwischen PWM und Halbbrückenfrequenz) auf einen veränderbaren Sollwert erreicht wird, wobei für die Rückführregelung der Steuerschaltung ein einen Strom durch die LED wiedergebendes Signal zugeführt ist.
  4. Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hochfrequente Taktung in einem Bereich zwischen 0.5 und 4MHz, vorzugsweise 0,5 bis 2,5 MHz liegt.
  5. Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Frequenz der PWM-Modulation in einem Bereich von 10 bis 50 kHz, vorzugsweise 15 bis 25 kHz liegt.
  6. Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerschaltung ein Mikrokontroller oder ein ASIC ist.
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