DE102019107039A1

DE102019107039A1 - LED-Treiber mit gesteuertem Spannungsvervielfacher

Info

Publication number: DE102019107039A1
Application number: DE102019107039.2A
Authority: DE
Inventors: Vahhab Mohammadi Ghoutani
Original assignee: Ledvance GmbH
Current assignee: Ledvance GmbH
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: DE102019107039B4

Abstract

Ein Treiber für eine LED-Lampe oder -Leuchte umfasst eine Spannungsvervielfacherschaltung mit mindestens einem ersten und einem zweiten Kondensator. Die Spannungsvervielfacherschaltung umfasst eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in Reihe und/oder parallel zu mindestens einem des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung, insbesondere zur Verwendung in einem Treiber für eine LED-Lampe oder -Leuchte (LED-Treiber). Die Stromversorgung umfasst eine Spannungsvervielfacherschaltung und eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit zur Steuerung von Spannung und/oder Strom in der Spannungsvervielfacherschaltung.
Stand der Technik
Mit dem Aufkommen von LED-Lampen stehen effiziente und langlebige Leuchtmittel zur Verfügung. Im Vergleich zu anderen konventionellen Beleuchtungsgeräten, wie z.B. Leuchtstofflampen, sind die Materialien von LED-Lampen sicherer, da z.B. kein Quecksilber benötigt wird. Außerdem haben LED-Lampen eine längere Lebensdauer und eine höhere Energieeffizienz als Halogenlampen oder Glühlampen.
Treiberschaltungen für die Stromversorgung von LEDs in einer LED-Lampe verwenden normalerweise ein Schaltnetzteil (switched-mode power supply, SPMS), z.B. einen Treiber mit Abwärtswandler. Diese SPMS enthalten normalerweise eine Induktivität, die das teuerste Bauteil des Treibers ist. Darüber hinaus arbeiten SPMS-Treiber bei hohen Frequenzen (normalerweise in der Größenordnung von 10 kHz bis zu mehreren MHz) und erfordern daher Maßnahmen zur Reduzierung der elektromagnetischen Interferenz (EMI). Es sind auch andere Treiberlösungen erhältlich (z.B. lineare Treiber), die jedoch in der Regel bei hohem Stromverbrauch zu einer hohen Energiedissipation führen.
Darstellung der Erfindung
Angesichts des bekannten Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromversorgung bereitzustellen, insbesondere eine Stromversorgung, die in einem LED-Treiber verwendet werden kann, die die oben diskutierten Nachteile überwindet, sowie entsprechende LED-Lampen und Leuchten.
Diese Aufgabe wird durch eine Stromversorgung, einen LED-Treiber sowie eine LED-Lampe und -Leuchte gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche, die Beschreibung und die Zeichnungen gegeben.
Obwohl die folgende Beschreibung die vorliegende Erfindung auf der Basis eines LED-Treibers erläutert, kann die Stromversorgung der Erfindung auch für andere Zwecke verwendet werden.
Eine Stromversorgung nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Spannungsvervielfacherschaltung mit mindestens einem ersten und einem zweiten Kondensator. Typischerweise wird bei bekannten Spannungsvervielfachern jeder Kondensator auf eine Spitzenspannung der Eingangsspannung aufgeladen. Dies führt dazu, dass die Ausgangsspannung das Doppelte (oder bei mehr als zwei Kondensatoren ein Vielfaches) der Spitzen-Eingangsspannung beträgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Spannungsvervielfacherschaltung eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit (im Folgenden auch nur „Steuereinheit“ genannt) in Reihe und/oder parallel zu mindestens einem der beiden Kondensatoren. Die Steuereinheit kann die an den jeweiligen Kondensator angelegte Spannung und/oder den an den Kondensator gelieferten Strom und damit die Ladegeschwindigkeit des Kondensators steuern. Die Steuereinheit kann eine Spannungssteuereinheit sein, die nur die an den Kondensator angelegte Spannung steuert, eine Stromsteuereinheit, die nur den dem Kondensator zugeführten Strom steuert, oder eine Kombination davon.
Unter Verwendung einer Steuereinheit, die einem Kondensator zugeordnet ist, kann die Spannung über dem Kondensator auf X · V_p eingestellt werden, wobei V_p die Spitzenspannung der Eingangsspannung ist und X eine beliebige reelle Zahl von 0 bis 1 sein kann. Im Falle eines Spannungsverdopplers, der eine Steuereinheit für jeden seiner beiden Kondensatoren verwendet, kann die Ausgangsspannung V_out=2 · X · V_p sein. Wird eine Steuereinheit nur für einen der Kondensatoren verwendet, kann die Ausgangsspannung V_out=V_p+X · V_P sein. Wenn eine Ausgangsspannung von mehr als dem Doppelten der Spitzen-Eingangsspannung erforderlich ist, kann die Ausgestaltung der Schaltung der Stromversorgung auf einem Spannungsverdreifacher oder noch höheren Spannungsvervielfachern basieren, wobei entsprechend drei oder mehr Kondensatoren verwendet werden können. Alternativ kann die Spannung über dem Kondensator auf V_p-V_o eingestellt werden, wobei V_p die Spitzenspannung der Eingangsspannung und V_o eine Offset-Spannung ist, durch die sich die Spannung über dem Kondensator und die Spitzenspannung der Eingangsspannung unterscheiden. Im Falle eines Spannungsverdopplers, der für jeden seiner beiden Kondensatoren eine Steuereinheit verwendet, kann die Ausgangsspannung V_out=2 · (V_p-V_o) sein. Wenn eine Steuereinheit nur für einen der Kondensatoren verwendet wird, kann die Ausgangsspannung V_out=V_p+ (V_p-V_o) =2 · V_p-V_o sein. Auch in diesem Fall kann der Entwurf der Stromversorgung auf einem Spannungsverdreifacher oder noch höheren Spannungsvervielfachern basieren, wobei entsprechend drei oder mehr Kondensatoren verwendet werden.
Da die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit die Spannung über dem entsprechenden Kondensator und damit die Ausgangsspannung des Spannungsvervielfachers steuert, kann die Schaltung als gesteuerter Spannungsvervielfacher bezeichnet werden.
Da Spannungsvervielfacher in der Regel keine Induktivitäten benötigen, kann die erfindungsgemäße Stromversorgung günstiger hergestellt werden als Stromversorgungen mit einem SPMS. Darüber hinaus wird die Betriebsfrequenz der Stromversorgung durch die Frequenz der Eingangsspannung bestimmt und kann z.B. 50 Hz oder 60 Hz betragen, so dass keine EMI-reduzierenden Maßnahmen erforderlich sind.
Die Steuereinheit kann in Reihe oder parallel zum jeweiligen Kondensator liegen. Die Steuereinheit kann auch einen ersten Teil in Reihe zum Kondensator und einen zweiten Teil parallel zum Kondensator umfassen. Wenn die Steuereinheit aus zwei oder mehr Teilen besteht, kann jeder Teil eine Spannungssteuereinheit, eine Stromsteuereinheit oder eine Kombination davon sein.
Die Ausgangsspannung des Spannungsvervielfachers kann an jede Art von ohmscher, induktiver oder kapazitiver Last oder jede Kombination davon geliefert werden.
Der oben beschriebene Spannungsvervielfacher kann von jeder Art von Wechselstromquelle, z.B. Sinus-, Rechteck-, Dreieck- und anderen alternativen Wellenformen der Stromquelle, mit beliebiger Frequenz gespeist werden.
Jeder Kondensator des Spannungsvervielfachers kann ein einzelner Kondensator (gepolt, bipolar, unpolar) oder eine Kombination aus mehreren Kondensatoren in Reihe und/oder parallel zueinander sein. Die Kapazität der Kondensatoren kann im Bereich von Femtofarad bis zu mehreren Farad liegen.
Die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit kann auch so konfiguriert werden, dass sie ein elektrisches Signal empfängt, wie z.B. ein Rückkopplungssignal, das eine beliebige Spannung oder einen beliebigen Strom in der Stromversorgung anzeigt (intern aus dem Spannungsvervielfacher oder extern von einer anderen Komponente der Stromversorgung).
In einer Ausführungsform umfasst die Spannungsvervielfacherschaltung eine erste Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in Reihe und/oder parallel zum ersten Kondensator und eine zweite Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in Reihe und/oder parallel zum zweiten Kondensator, wobei die erste Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit und die zweite Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit identisch sind. Wenn der Spannungsvervielfacher mehr als zwei Kondensatoren umfasst, können weitere identische Spannungs- und/oder Stromsteuereinheiten in Reihe und/oder parallel zu den weiteren Kondensatoren verwendet werden. Die Verwendung identischer Steuereinheiten kann den Entwurf der Stromversorgung vereinfachen.
Die Spannungsvervielfacherschaltung kann auf bekannten Schaltungen eines Spannungsverdopplers, wie z.B. einer Delon- oder Greinacher-Schaltung, oder auf jeder anderen Schaltung eines Spannungsverdopplers oder, allgemeiner gesagt, auf jeder anderen Schaltung eines Spannungsvervielfachers basieren. Insbesondere kann jedem Kondensator der Spannungsvervielfacherschaltung eine Diode zugeordnet werden. Die Diode kann die Phasen der Eingangsspannung bestimmen, wenn die Eingangsspannung an den entsprechenden Kondensator angelegt wird.
In einer Ausführungsform umfasst die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit eine Zenerdiode in Reihe mit dem jeweiligen Kondensator. Die Anode der Zenerdiode kann an einen Anschluss des Kondensators angeschlossen werden. Insbesondere kann jede Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit eine Zenerdiode umfassen, die auf diese Weise mit dem jeweiligen Kondensator verbunden ist. Die Zenerdiode reduziert die an den Kondensator angelegte Spannung um ihre Durchbruchspannung und wirkt so als Spannungssteuereinheit.
In einer Ausführungsform umfasst die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit eine Zenerdiode parallel zum jeweiligen Kondensator. Die Zenerdiode kann die an den jeweiligen Kondensator angelegte Spannung auf ihre Durchbruchspannung begrenzen.
In alternativen Ausführungsformen können statt einer Zenerdiode mehrere in Reihe geschaltete Dioden verwendet werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit mindestens ein Schaltbauteil, wie z.B. einen Transistor, insbesondere einen MOSFET. Der MOSFET kann als Leistungsdiode fungieren, jedoch mit geringeren Leistungsverlusten im Vergleich zu einer eigentlichen Diode.
In einer Ausführungsform umfasst die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit einen MOSFET vom n-Kanal-Anreicherungstyp. In einer besonderen Ausführungsform ist der Source-Anschluss des MOSFET mit einem Anschluss des Kondensators verbunden, eine erste Zenerdiode ist mit ihrer Anode mit dem Gate-Anschluss des MOSFET und mit ihrer Kathode mit dem Drain-Anschluss des MOSFET verbunden, eine zweite Zenerdiode ist mit ihrer Kathode mit dem Gate-Anschluss des MOSFET verbunden, und ein Widerstand ist zwischen der Anode der zweiten Zenerdiode und dem Source-Anschluss des MOSFET geschaltet.
In dieser Konfiguration ergibt sich bei Verwendung des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes für die von der ersten Zenerdiode und dem MOSFET gebildete Schleife -V_Z-V_GD=0 oder V_GD=-V_Z, wobei V_Z die Spannung über die Zenerdiode und V_GD die Spannung über den MOSFET vom Gate-Anschluss zum Drain-Anschluss ist. Für die MOSFET-Spannungen gilt +V_DS-V_GS+V_GD=0 oder V_DS=V_GS-V_GD, wobei V_DS die Spannung über den MOSFET vom Drain-Anschluss zum Source-Anschluss und V_GS die Spannung über den MOSFET vom Gate- zum Source-Anschluss ist. Die Substitution von V_GD in dieser Gleichung ergibt V_DS=V_GS+V_Z. Für V_Z>>V_GS führt dies zu V_DS ≈ V_Z, d.h. die Spannung über dem MOSFET vom Drain-Anschluss zum Source-Anschluss ist ungefähr gleich der Spannung über der ersten Zenerdiode. In dieser Konfiguration wirkt der MOSFET also wie eine Leistungs-Zenerdiode.
In einer Ausführungsform umfasst die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit einen MOSFET vom n-Kanal-Anreicherungstyp, wobei der Source-Anschluss des MOSFET mit einem ersten Anschluss eines Widerstands verbunden ist. Die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit kann ferner einen zweiten Transistor, insbesondere einen NPN-Transistor, umfassen, wobei die Basis des zweiten Transistors mit dem Source-Anschluss des MOSFET verbunden ist, der Kollektor des zweiten Transistors mit dem Gate-Anschluss des MOSFET und der Emitter des zweiten Transistors mit einem zweiten Anschluss des Widerstandes verbunden ist. Eine Zenerdiode kann mit ihrer Anode an den Emitter des zweiten Transistors und mit ihrer Kathode an den Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen werden.
Eine solche Steuereinheit kann in Reihe mit dem jeweiligen Kondensator geschaltet werden, insbesondere mit dem zweiten Anschluss des Widerstandes, der mit dem Kondensator verbunden ist, und mit dem Drain-Anschluss des MOSFET, der mit der dem Kondensator zugeordneten Diode verbunden ist.
Wenn der Strom durch den Widerstand zu hoch wird, wird der zweite Transistor nach und nach eingeschaltet, wodurch der MOSFET abgeschaltet und der Strom zum ersten Kondensator reduziert wird. Die Steuereinheit ist also eine Stromsteuereinheit.
In anderen Ausführungsformen kann der MOSFET ein MOSFET vom Verarmungstyp und/oder ein p-Kanal-MOSFET sein.
In einer Ausführungsform kann die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit regelbar sein. Damit kann die gewünschte Ausgangsspannung des Spannungsvervielfachers eingestellt werden, ohne dass Bauteile des Spannungsvervielfachers ausgetauscht werden müssen. Die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit kann insbesondere eine oder mehrere einstellbare Komponenten enthalten.
Die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit kann aus jeder Art von ohmschen, induktiven oder kapazitiven Elementen/Schaltungen sowie aus einer Kombination davon bestehen.
Die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit kann jede Art von schaltenden oder nicht schaltenden Elementen umfassen, insbesondere Schaltkreise, die lineare und/oder geregelte Verfahren verwenden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen Treiber für eine LED-Lampe oder -Leuchte mit einer Stromversorgung nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine LED-Lampe oder -Leuchte, die einen Treiber mit einer Stromversorgung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst. Die Lampe oder Leuchte kann einen Lichterzeuger (light engine) mit einer oder mehreren LEDs umfassen. Die LEDs können aus dem Ausgang des Treibers gespeist werden.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Berücksichtigung der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein Schaltplan eines bekannten Spannungsverdopplers (Delon-Schaltung);
2a ein schematischer Schaltplan einer ersten Ausführungsform eines Spannungsvervielfachers gemäß der vorliegenden Erfindung;
2b ein schematischer Schaltplan einer zweiten Ausführungsform eines Spannungsvervielfachers gemäß der vorliegenden Erfindung;
2c ein schematischer Schaltplan einer dritten Ausführungsform eines Spannungsvervielfachers gemäß der vorliegenden Erfindung;
3a ein Schaltplan einer ersten Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung;
3b ein Schaltplan einer Variation der in 3a gezeigten ersten Ausführungsform eines Treibers;
4 ein Schaltplan einer zweiten Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ein Schaltplan einer dritten Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 Messdaten eines Treibers nach 5;
7-13 Schaltpläne weiterer Ausführungsformen eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 ein Schaltplan eines weiteren bekannten Spannungsverdopplers (Greinacher-Schaltung);
15-20 Schaltpläne weiterer Ausführungsformen eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Basis einer Greinacher-Schaltung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Gleiche oder ähnliche Elemente oder Elemente mit gleicher Wirkung können in mehreren Zeichnungen durch das gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden. Eine Wiederholung der Beschreibung solcher Elemente kann entfallen, um redundante Beschreibungen zu vermeiden.
In 1 ist ein Schaltplan eines bekannten Spannungsverdopplers dargestellt. Der Spannungsverdoppler verwendet eine Delon-Schaltung, die aus zwei parallelen Zweigen besteht. Jeder Zweig umfasst eine Diode und einen Kondensator in Reihe. Im ersten Zweig ist die Anode der ersten Diode D1 mit einem Anschluss der Eingangsspannungsquelle verbunden und im zweiten Zweig ist die Kathode der zweiten Diode D2 mit demselben Anschluss der Eingangsspannungsquelle verbunden.
Während der positiven Halbperiode der Eingangsspannung Vin arbeitet die erste Diode D1 in Durchlassrichtung und lässt den Strom durch, während die zweite Diode D2 in Sperrrichtung arbeitet und den Stromfluss blockiert. So wird der erste Kondensator C1, der mit der Kathode der ersten Diode D1 verbunden ist, (normalerweise über mehrere Perioden der Eingangsspannung Vin) auf die positive Spitzenspannung V_p der Eingangsspannung Vin aufgeladen.
Während der negativen Halbperiode der Eingangsspannung Vin arbeitet die zweite Diode D2 in Durchlassrichtung und lässt den Strom durch, während die erste Diode D1 in Sperrrichtung arbeitet und den Stromfluss blockiert. So wird der zweite Kondensator C2, der an die Anode der zweiten Diode D2 angeschlossen ist, (normalerweise über mehrere Perioden der Eingangsspannung Vin) auf die negative Spitzenspannung -V_p der Eingangsspannung Vin aufgeladen. Die Eingangsspannung Vin kann jede Art von Wechselstromsignal sein, z.B. sinusförmig, rechteckig, quadratisch usw.
Dies führt zu einer Ausgangsspannung V_out=2 · V_p an den Ausgangsspannungsanschlüssen. Jeder Ausgangsspannungsanschluss befindet sich zwischen einer Diode und dem entsprechenden Kondensator.
Die Kondensatoren C1, C2 können gepolte Kondensatoren sein, wie in 1 gezeigt, oder sie können bipolare oder unpolare Kondensatoren sein.
2a zeigt schematisch einen Schaltplan einer ersten Ausführungsform eines Spannungsvervielfachers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacher von 2a basiert auf der in 1 dargestellten Delon-Schaltung. Zusätzlich zu den Komponenten des Delon-Spannungsverdopplers umfasst die Ausführungsform von 2a eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit V/C in jedem Zweig in Reihe mit der jeweiligen Diode und dem jeweiligen Kondensator. Die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit V/C kann zwischen der Diode und dem entsprechenden Kondensator angeschlossen werden. In anderen Ausführungsformen kann der Kondensator zwischen der Diode und der entsprechenden Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit geschaltet werden.
2b zeigt schematisch den Schaltplan einer zweiten Ausführungsform eines Spannungsvervielfachers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacher von 2b basiert auf der in 1 dargestellten Delon-Schaltung. Zusätzlich zu den Komponenten des Delon-Spannungsverdopplers umfasst die Ausführungsform von 2b eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit V/C in jedem Zweig parallel zum jeweiligen Kondensator.
2c zeigt schematisch den Schaltplan einer dritten Ausführungsform eines Spannungsvervielfachers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacher von 2c basiert auf der in 1 dargestellten Delon-Schaltung. Zusätzlich zu den Komponenten des Delon-Spannungsverdopplers umfasst die Ausführungsform von 2c in jedem Zweig eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit V/C. Jede Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit umfasst einen ersten Steuereinheitsteil in Reihe mit der jeweiligen Diode und dem jeweiligen Kondensator und einen zweiten Steuereinheitsteil parallel zu dem jeweiligen Kondensator. Der erste Steuereinheitsteil kann zwischen die Diode und den entsprechenden Kondensator geschaltet werden. In anderen Ausführungsformen kann der Kondensator zwischen die Diode und den entsprechenden ersten Steuereinheitsteil geschaltet werden.
In den Ausführungsformen des Spannungsvervielfachers der 2a, 2b und 2c umfasst jede Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit elektronische Komponenten, die zur Steuerung der an dem Kondensator angelegten Spannung und/oder des an den Kondensator gelieferten Stroms geeignet sind. So kann die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit die Ladegeschwindigkeit des Kondensators steuern. Je nach Ausführung der Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit kann die Spannung über dem Kondensator also X · V_p (mit 0≤X≤1) oder V_p-V_o betragen, und dementsprechend ist die an den Ausgangsspannungsanschlüssen verfügbare Ausgangsspannung Vout doppelt so hoch wie die Kondensatorspannung: V_out=2 · X · V_p oder V_out=2 · (V_p-V_o)
3a zeigt einen Schaltplan einer ersten Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacherteil des Treibers basiert auf der oben diskutierten Ausführungsform von 2a, d.h. auf einer Delon-Spannungsverdopplerschaltung mit einer Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in einem der Zweige in Reihe mit dem Kondensator. In der Ausführungsform von 3a ist die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit eine Zenerdiode, die zwischen Diode und Kondensator in Reihe geschaltet ist. Die Kathode einer Zenerdiode Z1 ist mit der Kathode der ersten Diode und die Anode der Zenerdiode Z1 ist mit dem Kondensator verbunden. Im Zweig mit der Zenerdiode befindet sich zwischen der Zenerdiode und dem Kondensator ein Ausgangsspannungsanschluss. In dem Zweig ohne Zenerdiode befindet sich ein Ausgangsspannungsanschluss zwischen der zweiten Diode und dem Kondensator.
Die Zenerdiode reduziert die an den Kondensator angelegte Spannung um ihre Durchbruchspannung und wirkt so als Spannungssteuereinheit. Die Spannung über dem Kondensator beträgt dann V_p-V_z und die Ausgangsspannung V_out=V_p+ (V_p-V_z)=2 · V_p-V_z. Durch die Wahl von V_z kann die gewünschte Ausgangsspannung Vout erreicht werden.
Der Treiber in 3a umfasst außerdem einen Filterkondensator C3, der zwischen die beiden Ausgangsspannungsanschlüsse geschaltet ist, um die Spannungsrippel weiter zu reduzieren. Der Treiber umfasst außerdem einen Widerstand R4 zur Begrenzung des Stroms durch einen an den Treiber angeschlossenen Lichterzeuger LE.
3b zeigt einen Schaltplan einer Variation der ersten Ausführungsform gemäß 3a. Der Spannungsvervielfacherteil des Treibers basiert ebenfalls auf der oben diskutierten Ausführungsform von 2a, d.h. auf einer Delon-Spannungsverdopplerschaltung mit einer Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in jedem Zweig in Reihe mit dem Kondensator. In der Ausführungsform von 3b ist die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit eine Zenerdiode, die zwischen der jeweiligen Diode und dem Kondensator in Reihe geschaltet ist. Im ersten Zweig ist die Kathode einer ersten Zenerdiode Z1 mit der Kathode der ersten Diode D1 und die Anode der ersten Zenerdiode Z1 mit dem ersten Kondensator C1 verbunden. Im zweiten Zweig ist die Anode einer zweiten Zenerdiode Z2 mit der Anode der zweiten Diode D2 und die Kathode der zweiten Zenerdiode Z2 mit dem zweiten Kondensator C2 verbunden. In jedem Zweig befindet sich ein Ausgangsspannungsanschluss zwischen der Zenerdiode und dem Kondensator.
In beiden Zweigen reduziert die Zenerdiode die an den Kondensator angelegte Spannung um ihre Durchbruchspannung und wirkt so als Spannungssteuereinheit. Die Spannung an jedem Kondensator beträgt dann V_p-V_z und die Ausgangsspannung V_out=2 · (V_p-V_z) . Durch die Wahl von V_z kann die gewünschte Ausgangsspannung Vout erreicht werden.
Der Treiber in 3b umfasst ferner einen Filterkondensator C3, der zwischen den beiden Ausgangsspannungsanschlüssen angeschlossen ist, um die Spannungsrippel weiter zu reduzieren. Der Treiber umfasst außerdem einen Widerstand R4 zur Begrenzung des Stroms durch einen an den Treiber angeschlossenen Lichterzeuger LE.
Obwohl einige der hier gezeigten Ausführungsformen nur eine Steuereinheit in einem der Zweige verwenden, können alle diese Ausführungsformen auch mit der gleichen oder einer anderen Steuereinheit im zweiten Zweig ausgebildet sein.
4 zeigt einen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacherteil des Treibers basiert auf der oben diskutierten Ausführungsform von 2a, d.h. auf einer Delon-Spannungsverdopplerschaltung mit einer Spannungs-und/oder Stromsteuereinheit in jedem Zweig in Reihe mit dem Kondensator. In der Ausführungsform von 4 umfasst die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit einen n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET. Im ersten Zweig ist der Source-Anschluss des MOSFET Q1 mit einem Anschluss des Kondensators C1 verbunden, eine erste Zenerdiode Z1 ist mit ihrer Anode mit dem Gate-Anschluss des MOSFET Q1 und mit ihrer Kathode mit dem Drain-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden, eine zweite Zenerdiode Z2 ist mit ihrer Kathode mit dem Gate-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden, und ein erster Widerstand R1 ist zwischen die Anode der zweiten Zenerdiode Z2 und den Source-Anschluss des MOSFET Q1 geschaltet. In jedem Zweig befindet sich ein Ausgangsspannungsanschluss zwischen der Spannungs-und/oder Stromsteuereinheit und dem Kondensator.
Der Treiber in 4 umfasst ferner einen Filterkondensator C3, der zwischen den beiden Ausgangsspannungsanschlüssen angeschlossen ist, um die Spannungsrippel weiter zu reduzieren. Der Treiber umfasst außerdem einen zweiten Widerstand R4 zur Begrenzung des Stroms durch einen an den Treiber angeschlossenen Lichterzeuger LE.
5 zeigt einen Schaltplan einer dritten Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacherteil des Treibers basiert auf der oben diskutierten Ausführungsform von 2a, d.h. auf einer Delon-Spannungsverdopplerschaltung mit einer Spannungs-und/oder Stromsteuereinheit in jedem Zweig in Reihe mit dem Kondensator. Die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in der Ausführungsform von 4 ist identisch mit der Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in der Ausführungsform von 3. In jedem Zweig befindet sich ein Ausgangsspannungsanschluss zwischen der Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit und dem Kondensator.
Der Treiber in 5 umfasst ferner einen Filterkondensator C3, der zwischen den beiden Ausgangsspannungsanschlüssen angeschlossen ist, um die Spannungsrippel weiter zu reduzieren. Der Treiber enthält außerdem eine Strombegrenzungsschaltung, um eine Obergrenze für den Strom durch den Lichterzeuger LE zu gewährleisten. Die Strombegrenzungsschaltung in der Ausführungsform von 5 umfasst einen zweiten Widerstand R4 zur Erfassung des Stroms durch den Lichterzeuger LE. Ein erster Transistor kann zwischen den Lichterzeuger LE und den zweiten Widerstand R4 geschaltet werden. Insbesondere kann der Transistor ein n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET Q2 sein, wobei der Drain-Anschluss des MOSFET Q2 mit dem Lichterzeuger LE und der Source-Anschluss des MOSFET Q2 mit dem zweiten Widerstand R4 verbunden ist. Die Strombegrenzungsschaltung umfasst außerdem einen zweiten Transistor Q3, wobei der Base-Anschluss des zweiten Transistors Q3 mit dem Source-Anschluss des MOSFET Q2 verbunden ist, der Collector-Anschluss des zweiten Transistors Q3 mit dem Gate-Anschluss des MOSFET Q2 verbunden ist und der Emitter-Anschluss des zweiten Transistors Q3 mit dem negativen Ausgangsspannungsanschluss der Spannungsvervielfacherschaltung verbunden ist. Der Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors Q3 kann ferner über einen dritten Widerstand R2 mit dem positiven Ausgangsspannungsanschluss der Spannungsvervielfacherschaltung und über einen vierten Widerstand R3 mit dem negativen Ausgangsspannungsanschluss der Spannungsvervielfacherschaltung verbunden werden, wodurch die Gate-Spannung des MOSFET Q2 eingestellt werden kann. Der zweite Transistor Q3 kann ein Bipolartransistor (bipolar junction transistor, BJT) sein. Wenn der Strom durch den Lichterzeuger LE und den zweiten Widerstand R4 zu hoch wird, wird der zweite Transistor Q3 allmählich eingeschaltet, wodurch der MOSFET Q2 abgeschaltet und somit der Strom durch den Lichterzeuger LE reduziert wird.
Für die MOSFETs in den hier gezeigten Treiberschaltungen kann jeder n-Kanal-MOSFET mit hoher Leistung (hohe Spannung (>=200V) oder hoher Stromstärke (>=1A), höher als 10W) wie IRF840, IRF730, FDD7N25LZ oder niedriger Leistung (niedriger Strom (<=200V) oder niedrige Spannung (<=1A), niedriger als 10 W) wie FDD8447L verwendet werden.
Für die BJTs in den hier gezeigten Treiberschaltungen kann jeder NPN-Transistor mit hoher Leistung (hohe Spannung (>=200V) oder hoher Stromstärke (>=1A), höher als 10 W) wie 2SD1047, BUH50G, 2N3055 oder mit niedriger Leistung (niedriger Strom (<=200V) oder niedriger Spannung (<=1A), niedriger als 10W) wie KSD1616AGBU, BD677, 2N2222A verwendet werden.
Für die Dioden in den hier gezeigten Treiberschaltungen kann jede Hochleistungsdiode (Gleichrichter, schnell, ultraschnell, Schottky oder jeder andere Typ) wie IDP15E65D1, SS3P6L-M3/86A, 5SDD 11D2800, 1N4007 oder eine Diode mit geringer Leistung (Gleichrichter, schnell, ultraschnell, Schottky oder jeder andere Typ) wie 1N4001, MBR0520 verwendet werden.
Für die Zenerdioden in den hier gezeigten Treiberschaltungen kann jede Zenerdiode mit hoher oder niedriger Leistung in jedem Bereich (≥0V) wie z.B. 1N5378BG, 1N4736A verwendet werden.
Andere Ausführungsformen einer Strombegrenzungsschaltung können in anderen Ausführungsformen des Treibers verwendet werden.
6 zeigt die Messwerte der Spannung V_LED und des Stroms I_LED für einen Lichterzeuger, der mit einem Beispieltreiber entsprechend der Ausführungsform von 5 versehen ist. Der Treiber ist an eine Eingangswechselspannung von 230V angeschlossen. Aus 5 ist ersichtlich, dass sowohl die Lichterzeugerspannung V_LED als auch der Lichterzeugerstrom I_LED recht stabil sind.

Für verschiedene Eingangsspannungen des Beispieltreibers gemäß der Verkörperung von 5 wurden folgende Messungen durchgeführt:

Beispiel	Eingangsspannung	Eingangsstrom	Eingangsleistung	Leistungsfaktor	P_LED (W)	I_LED mittel
	(Vac)	(mA)	(W)			(mA)
1	220,48	57,51	7,16	0,56	6,12	12,89
2	230,48	57,94	7,50	0,56	6,06	12,78
3	240,49	57,85	7,76	0,56	5,94	12,52

Beispiel	V_LED mittel	I_LED min	I_LED max	Effizienz (%)	Rippelstrom	Line regulation
	(V)	(mA)	(mA)		(%)	(%)
1	474,58	12,25	13,35	85,45	3,49	0,86
2	474,46	12,35	13,24	80,89	3,49
3	474,23	12,09	12,96	76,51	3,48	-2,07

Diese Messungen können mit entsprechenden Messungen verglichen werden, die mit einem bekannten LED-Treiber mit Abwärtswandler durchgeführt wurden:

Beispiel	Eingangsspannung	Eingangsstrom	Eingangsleistung	Leistungsfaktor	P_LED (W)	I_LED mittel
	(Vac)	(mA)	(W)			(mA)
1	220,38	64,14	7,85	0,56	7,39	46,09
2	230,31	62,28	7,84	0,55	7,38	45,99
3	240,37	60,61	7,85	0,54	7,37	45,97

Beispiel	V_LED mittel	I_LED min	I_LED max	Effizienz (%)	Rippelstrom	Line regulation
	(V)	(mA)	(mA)		(%)	(%)
1	159,41	21,91	78,25	94,15	56,25	0,15
2	159,42	22,97	75,27	94,04	53,24
3	159,42	23,77	72,96	93,92	50,85	-0,5

Wie aus diesen Messungen ersichtlich ist, führt der LED-Treiber gemäß der vorliegenden Erfindung zu stark reduzierten Rippelströmen, während die Leistung ansonsten mit der des LED-Treibers mit Abwärtswandler vergleichbar ist. Darüber hinaus ist, wie bereits oben erwähnt, der LED-Treiber gemäß der vorliegenden Erfindung in der Herstellung kostengünstiger, da keine Induktivitäten (und im Allgemeinen weniger Bauteile) benötigt werden. Aus dem gleichen Grund kann der erfindungsgemäße LED-Treiber auch kleiner als der bekannte LED-Treiber mit Abwärtswandler ausgeführt werden.
Weitere Vorteile des LED-Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung sind eine höhere Effizienz im Vergleich zu linearen und geregelten LED-Treibern, eine niedrige Arbeitsfrequenz (entsprechend der Frequenz der Eingangsspannung), die EMI-Filter überflüssig macht, und ein geringes Flickern.
7 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacherteil des Treibers basiert auf der oben diskutierten Ausführungsform von 2c, d.h. auf einer Delon-Spannungsverdopplerschaltung mit einer ersten Steuereinheit in einem der Zweige in Reihe mit dem Kondensator und einer zweiten Steuereinheit im gleichen Zweig wie die erste Steuereinheit parallel zum Kondensator. In der Ausführungsform von 7 ist die erste Steuereinheit eine erste Zenerdiode Z1, die zwischen der Diode D1 und dem Kondensator C1 in Reihe geschaltet ist. Die Kathode der ersten Zenerdiode Z1 ist mit der Kathode der ersten Diode D1 und die Anode der ersten Zenerdiode Z1 ist mit einem ersten Anschluss des Kondensators C1 verbunden. Die zweite Steuereinheit umfasst eine zweiten Zenerdiode Z2 und eine dritten Diode D3 in Reihe, deren Kathoden miteinander verbunden sind. Diese zweite Steuereinheit ist parallel zum Kondensator C1 geschaltet. Die Anode der dritten Diode D3 ist mit der Anode der ersten Zenerdiode D1 und die Anode der zweiten Zenerdiode Z2 ist mit dem zweiten Anschluss des Kondensators C1 verbunden. Im Zweig mit den Steuereinheiten befindet sich ein Ausgangsspannungsanschluss zwischen der ersten Zenerdiode Z1 und dem Kondensator C1. In dem Zweig ohne Zenerdiode befindet sich ein Ausgangsspannungsanschluss zwischen der zweiten Diode D2 und dem Kondensator C2.
Die erste Zenerdiode Z1 reduziert die an dem Kondensator C1 anliegende Spannung um ihre Durchbruchspannung und wirkt so als Spannungssteuereinheit. Die zweite Zenerdiode Z2 begrenzt die an dem Kondensator C1 angelegte Spannung auf ihre Durchbruchspannung und wirkt somit ebenfalls als Spannungssteuereinheit. Während derjenigen Halbperioden der Eingangsspannung, bei denen der Kondensator im Zweig ohne Steuereinheit geladen wird, verhindert die dritte Diode D3, dass der Strom den ersten Kondensator C1 überbrückt und direkt in die Last fließt.
In einem Beispiel kann die Durchbruchspannung der ersten Zenerdiode Z1 100 V und die Durchbruchspannung der zweiten Zenerdiode 250 V betragen. Bei einer Spitzen-Eingangsspannung V_p von 330 V wird die erste Zenerdiode Z1 eingeschaltet und die an dem Kondensator C1 angelegte Spannung um 100 V reduziert, was zu einer an dem Kondensator C1 angelegten Spannung von V_C1=230 V führt. Die zweite Zenerdiode Z2 wird ausgeschaltet und beeinflusst die Spannung nicht weiter. Da keine Steuereinheit im zweiten Zweig vorhanden ist, wird die an dem zweiten Kondensator C2 angelegte Spannung V_C2=330 V sein, was zu einer Ausgangsspannung von V_out=V_C1+V_C2=230 V + 330 V = 560V führt. Bei einer Spitzen-Eingangsspannung V_p von 350 V wird die erste Zenerdiode Z1 eingeschaltet und die an dem Kondensator C1 angelegte Spannung um 100 V reduziert, was zu einer an dem Kondensator C1 angelegten Spannung von V_C1=250 V führt. Die zweite Zenerdiode Z2 schaltet sich bei dieser Spannung gerade ein und beeinflusst daher die an dem Kondensator C1 angelegte Spannung nicht. Da im zweiten Zweig keine Steuereinheit vorhanden ist, wird die an dem zweiten Kondensator C2 angelegte Spannung V_C2=350 V sein, was zu einer Ausgangsspannung von V_out=V_C1+V_C2=250 V + 350 V = 600 V führt. Bei einer Spitzen-Eingangsspannung V_p von 380 V wird die erste Zenerdiode Z1 eingeschaltet und die an dem Kondensator C1 angelegte Spannung um 100 V reduziert, was zu einer am Kondensator C1 angelegten Spannung von V_C1=280 V führt. Die zweite Zenerdiode Z2 wird ebenfalls eingeschaltet und begrenzt die an dem Kondensator C1 angelegte Spannung auf 250 V. Da im zweiten Zweig keine Steuereinheit vorhanden ist, wird die an den zweiten Kondensator C2 angelegte Spannung V_C2=380 V sein, was zu einer Ausgangsspannung von V_out=V_C1+V_C2=250 V + 380 V = 630 V führt.
Der Treiber in 7 umfasst außerdem einen Filterkondensator C3, der zwischen die beiden Ausgangsspannungsanschlüsse geschaltet ist, um die Spannungsrippel weiter zu reduzieren. Der Treiber umfasst außerdem einen Widerstand R4 zur Begrenzung des Stroms durch einen an den Treiber angeschlossenen Lichterzeuger LE.
8 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ähnelt der Ausführungsform von 7, jedoch wird anstelle einer einzelnen Zenerdiode für die erste Steuereinheit eine Schaltung aus einem MOSFET Q1, zwei Zenerdioden Z1 und Z3 und einem Widerstand R1 verwendet, die als Leistungsdiode wirkt, wie in 4 beschrieben. Auch hier gelten die entsprechenden Erläuterungen oben.
9 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers/Stromversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform kombiniert die gesteuerte Spannungsvervielfacherschaltung aus 8 mit dem Laststromkreis aus 5. Auch hier gelten die entsprechenden Erläuterungen oben.
10 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ähnelt der Ausführungsform von 5, mit einer zusätzlichen zweiten Steuereinheit im zweiten Zweig. Die zweite Steuereinheit umfasst eine Zenerdiode Z2 und eine dritte Diode D3 in Reihe, wobei die Anoden miteinander verbunden sind. Diese zweite Steuereinheit ist parallel zum zweiten Kondensator C2 angeordnet. Die Kathode der dritten Diode D3 ist mit einem ersten Anschluss des zweiten Kondensators C2 und mit einem ersten Anschluss eines Widerstandes R5 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstandes R5 ist mit der Anode der zweiten Diode D2 verbunden. Der Widerstand R5 kann so gewählt werden, dass im Wesentlichen die Spannungsdifferenz zwischen der Durchbruchspannung V_z der zweiten Zenerdiode Z2 und der Spitzen-Eingangsspannung V_p am Widerstand R5 abfällt, wodurch die Gefahr einer Beschädigung der zweiten Diode D2 oder der dritten Diode D3 verringert wird. Die Kathode der zweiten Zenerdiode Z2 ist mit einem zweiten Anschluss des Kondensators verbunden. In dieser Ausführung kann die Spannung an beiden Kondensatoren beliebig verändert werden.
Die zweite Zenerdiode Z2 begrenzt die an den zweiten Kondensator C2 angelegte Spannung auf seine Durchbruchspannung und wirkt so als Spannungssteuereinheit. Während derjenigen Halbperioden der Eingangsspannung, in denen der erste Kondensator C1 geladen wird, verhindert die dritte Diode D3, dass der Strom den zweiten Kondensator C2 überbrückt und direkt zur Last fließt.
Anstelle des Widerstandes R5 in 10 kann eine beliebige Impedanz in Reihe mit dem Kondensator verwendet werden, wie in 11 gezeigt wird, die ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Im zweiten Zweig ist eine Impedanz R5 in Reihe zwischen der zweiten Diode D2 und dem zweiten Kondensator C2 geschaltet und eine zweite Zenerdiode Z2 und eine dritte Diode D3 sind in Reihe parallel zum zweiten Kondensator C2 geschaltet, ähnlich wie in 10.
Im ersten Zweig des Spannungsvervielfachers von 11 wird eine Stromsteuereinheit in Reihe zwischen der ersten Diode D1 und dem ersten Kondensator C1 verwendet, um die Ladegeschwindigkeit des ersten Kondensators C1 zu steuern. Die Stromsteuereinheit umfasst einen Widerstand R1 zur Erfassung des Stroms zum Kondensator C1. Der Widerstand R1 ist mit einem der Anschlüsse des Kondensators C1 verbunden. Ein erster Transistor kann zwischen der ersten Diode D1 und dem Widerstand R1 angeschlossen werden. Insbesondere kann der Transistor ein MOSFET Q1 vom n-Kanal-Anreicherungstyp sein, wobei der Drain-Anschluss des MOSFET Q1 mit der Kathode der ersten Diode D1 und der Source-Anschluss des MOSFET Q1 mit dem Widerstand R1 verbunden ist. Die Stromsteuereinheit umfasst ferner einen zweiten Transistor Q4, wobei der Basis-Anschluss des zweiten Transistors Q4 mit dem Source-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden ist, der Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors Q4 mit dem Gate-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden ist und der Emitter-Anschluss des zweiten Transistors Q4 mit der Leitung zwischen dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 verbunden ist. Der Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors Q4 kann ferner mit der Kathode einer Zenerdiode Z1 und der Emitter-Anschluss des zweiten Transistors Q4 kann ferner mit der Anode der Zenerdiode Z1 verbunden werden. Der zweite Transistor Q4 kann ein Bipolartransistor (BJT) sein. Wenn der Strom durch den Widerstand R1 zu hoch wird, wird der zweite Transistor Q4 allmählich eingeschaltet, wodurch der MOSFET Q1 abgeschaltet und der Strom zum ersten Kondensator C1 reduziert wird. Die Leitung zwischen dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 bildet auch einen der Ausgangsanschlüsse der gesteuerten Spannungsvervielfacherschaltung des Treibers.
Der Laststromkreis in 11 entspricht dem Laststromkreis in 5. Auch hier gelten die entsprechenden Erläuterungen oben.
12 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist ähnlich zur Ausführungsform von 11, mit einer zusätzlichen Spannungssteuereinheit parallel zum ersten Kondensator C1 im ersten Zweig. Die Spannungssteuereinheit umfasst eine dritte Zenerdiode Z3 und eine vierten Diode D4, deren Kathoden miteinander verbunden sind, wobei die Anode der Diode D4 mit der Verbindung zwischen dem Widerstand R1 und dem ersten Kondensator C1 und die Anode der dritten Zenerdiode Z3 mit dem anderen Anschluss des ersten Kondensators C1 verbunden ist.
13 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacherteil des Treibers basiert auf einer Delon-Spannungsverdopplerschaltung mit einer Stromsteuereinheit in einem der Zweige parallel zum Kondensator, die während des Ladens des Kondensators einen gewissen Strom verbraucht, und einer Spannungssteuereinheit im anderen Zweig in Reihe mit dem Kondensator. Die Spannungssteuereinheit im zweiten Zweig ist eine Zenerdiode, die in Reihe zwischen Diode und Kondensator geschaltet ist. Die Anode einer Zenerdiode Z2 ist mit der Anode der zweiten Diode D2 und die Kathode der Zenerdiode Z2 ist mit dem zweiten Kondensator C2 verbunden. Im ersten Zweig ist ein Anschluss des ersten Kondensators C1 mit der Kathode der ersten Diode D1 verbunden.
Die Stromsteuereinheit im ersten Zweig umfasst einen Widerstand R1 zur Erfassung des verbrauchten Stroms. Der Widerstand R1 ist mit dem Anschluss des ersten Kondensators C1 verbunden, der nicht mit der ersten Diode D1 verbunden ist. Ein erster Transistor kann zwischen die erste Diode D1 und den Widerstand R1 geschaltet werden. Insbesondere kann der Transistor ein MOSFET Q1 vom n-Kanal-Anreicherungstyp sein, wobei der Drain-Anschluss des MOSFET Q1 mit der Kathode der ersten Diode D1 und der Source-Anschluss des MOSFET Q1 mit dem Widerstand R1 verbunden ist. Die Stromsteuereinheit umfasst ferner einen zweiten Transistor Q4, wobei der Basis-Anschluss des zweiten Transistors Q4 mit dem Source-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden ist, der Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors Q4 mit dem Gate-Anschluss des MOSFET Q2 verbunden ist und der Emitter-Anschluss des zweiten Transistors Q4 mit der Leitung zwischen dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 verbunden ist. Der Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors Q4 kann ferner mit der Anode einer dritten Diode D3 und der Emitter-Anschluss des zweiten Transistors Q4 kann ferner mit der Anode einer ersten Zenerdiode Z1 verbunden werden. Die Kathoden der dritten Diode D3 und der ersten Zenerdiode sind miteinander verbunden. Der zweite Transistor Q4 kann ein Bipolartransistor (BJT) sein. Wenn der Strom durch den Widerstand R1 zu hoch wird, wird der zweite Transistor Q4 allmählich eingeschaltet, wobei der MOSFET Q1 entsprechend abgeschaltet und damit der verbrauchte Strom reduziert wird.
Der Ausgang des gesteuerten Spannungsvervielfachers im ersten Zweig kann sich an der Verbindung zwischen der ersten Diode D1 und dem ersten Kondensator C1 befinden. Der Ausgang im zweiten Zweig kann sich zwischen der Zenerdiode Z2 und dem zweiten Kondensator C2 befinden.
Der Laststromkreis in 13 entspricht dem Laststromkreis in 5. Auch hier gelten die entsprechenden Erläuterungen oben.
In 14 ist ein Schaltplan eines bekannten Spannungsverdopplers dargestellt. Der Spannungsverdoppler verwendet eine Greinacher-Schaltung, die eine Diodenklemmschaltung (Villard-Schaltung) mit einer ersten Diode D2 und einem ersten Kondensator C2 und eine Spitzenwertdetektorschaltung mit einer zweiten Diode D1 und einem zweiten Kondensator C1 umfasst. Der erste Kondensator C2 ist mit seinem ersten Anschluss mit einem Anschluss des Spannungseingangs verbunden. Die Kathode der ersten Diode D2 ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators C2 verbunden und die Anode der ersten Diode D2 ist mit dem anderen Anschluss des Spannungseingangs verbunden. Die Anode der zweiten Diode D1 ist mit der Kathode der ersten Diode D2 verbunden. Der zweite Kondensator C1 ist mit einem Anschluss an die Kathode der zweiten Diode D1 und mit dem anderen Anschluss an die Anode der ersten Diode D2 angeschlossen.
Während der negativen Halbperiode der Eingangsspannung V_in arbeitet die erste Diode D2 in Durchlassrichtung und lässt den Strom hindurch. So wird der erste Kondensator C2, der mit der Kathode der ersten Diode D2 verbunden ist, (normalerweise über mehrere Zyklen der Eingangsspannung Vin) auf die positive Spitzenspannung Vp der Eingangsspannung Vin aufgeladen.
Während der positiven Halbperiode der Eingangsspannung V_in ist die erste Diode D2 blockiert und die zweite Diode D1 arbeitet in Durchlassrichtung und lässt den Strom durch sie hindurch. Dadurch wird der zweite Kondensator C1, der mit der Kathode der zweiten Diode D1 verbunden ist, (normalerweise über mehrere Zyklen der Eingangsspannung Vin) auf das Doppelte der Spitzenspannung V_p der Eingangsspannung V_in aufgeladen. Die Spannung des zweiten Kondensators V_C1 ist gleichzeitig die Ausgangsspannung V_out: V_C1 = Vout = 2 · V_p Die Kondensatoren C1, C2 können gepolte Kondensatoren sein, wie in 14 gezeigt, oder sie können bipolare oder unpolare Kondensatoren sein.
Obwohl die Greinacher-Schaltung nicht über zwei getrennte Zweige wie die Delon-Schaltung verfügt (siehe 1), können die an die beiden Kondensatoren angelegten Spannungen bzw. die zum Laden des Kondensators verwendeten Ströme auch durch Spannungs- und/oder Schaltungssteuereinheiten in Reihe und/oder parallel zu mindestens einem der Kondensatoren gesteuert werden, was zu weiteren Ausführungsformen eines gesteuerten Spannungsvervielfachers führt.
15 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers/Stromversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacherteil des Treibers/Stromversorgung basiert auf einer Greinacher-Spannungsverdopplerschaltung mit einer Spannungssteuereinheit in Reihe mit dem ersten Kondensator C2. Die Spannungssteuereinheit ist eine Zenerdiode Z1 zwischen dem ersten Kondensator und der ersten Diode. Die Kathode der Zenerdiode Z1 ist mit der Kathode der ersten Diode D2 und die Anode der Zenerdiode Z1 ist mit dem ersten Kondensator C2 verbunden. Die Zenerdiode Z1 reduziert die an den ersten Kondensator C2 angelegte Spannung um ihre Durchbruchspannung und wirkt so als Spannungssteuereinheit. 15 zeigt nur den geregelten Spannungsvervielfacherteil des Treibers/Stromversorgung und zeigt nicht die parallel zum zweiten Kondensator C1 geschaltete Last, insbesondere nicht den Lichterzeuger oder weitere Komponenten des Treibers/Stromversorgung.
16 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Treiber entspricht der Ausführungsform von 15, aber anstelle einer einzelnen Zenerdiode als Spannungssteuereinheit umfasst die Spannungssteuereinheit von 16 einen MOSFET, insbesondere einen n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET Q1. Der Drain-Anschluss des MOSFET Q1 ist mit der Kathode der ersten Diode D2 verbunden. Der Source-Anschluss des MOSFET Q1 ist mit dem ersten Kondensator C2 verbunden. Eine erste Zenerdiode Z1 ist mit ihrer Kathode mit dem Drain-Anschluss des MOSFET Q1 und mit ihrer Anode mit dem Gate-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden. Eine zweite Zenerdiode Z2 ist mit ihrer Kathode mit dem Gate-Anschluss des MOSFET Q1 und mit ihrer Anode mit einem ersten Anschluss eines Widerstandes R1 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstandes R1 ist mit dem Source-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden. Wie oben beschrieben, wirkt ein MOSFET in dieser Konfiguration als Leistungsdiode und steuert somit die an den ersten Kondensator C2 angelegte Spannung. Wie zuvor zeigt 16 nur den gesteuerten Spannungsvervielfacherteil des Treibers und zeigt nicht die Last, die parallel zum zweiten Kondensator C1 geschaltet ist.
Eine Last, die an den Ausgang des gesteuerten Spannungsvervielfachers von 16 angeschlossen ist, ist in 17 dargestellt, die einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Last in 17 entspricht im Wesentlichen der in 5 gezeigten Last, abgesehen vom Filterkondensator C3 in 5. Auch hier gelten die obigen Erläuterungen.
18 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Treiber entspricht der Ausführungsform von 17 mit einer dritten Zenerdiode Z3 als Spannungssteuereinheit, die dem zweiten Kondensator C1 zugeordnet ist. Die dritte Zenerdiode Z3 ist in Reihe mit dem zweiten Kondensator C1 geschaltet und ist mit ihrer Kathode mit der Kathode der ersten Diode D2 und mit ihrer Anode mit der Anode der zweiten Diode D1 verbunden. Die dritte Zenerdiode Z3 reduziert die an den zweiten Kondensator C1 angelegte Spannung um ihre Durchbruchspannung und wirkt so als Spannungsregler. Auch hier gelten die entsprechenden obigen Erläuterungen.
19 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacherteil des Treibers basiert auf einer Greinacher-Spannungsverdopplerschaltung mit einer ersten Spannungssteuereinheit parallel zum ersten Kondensator C2 und einer zweiten Spannungssteuereinheit in Reihe mit dem zweiten Kondensator C1. Ein Widerstand R1 ist zwischen der Kathode der ersten Diode D2 und dem ersten Kondensator C2 vorgesehen. Die erste Spannungssteuereinheit umfasst eine erste Zenerdiode Z1, deren Kathode mit einem ersten Anschluss des ersten Kondensators C2 und einem ersten Anschluss des Widerstandes verbunden ist und deren Anode mit der Anode einer dritten Diode D3 verbunden ist. Die Kathode der dritten Diode ist mit einem zweiten Anschluss des ersten Kondensators C2 verbunden. Die erste Zenerdiode Z1 begrenzt die an den ersten Kondensator angelegte Spannung auf ihre Durchbruchspannung und wirkt so als Spannungssteuereinheit. Die zweite Spannungssteuereinheit ist eine zweite Zenerdiode Z3, deren Kathode mit der Kathode der ersten Diode D2 und deren Anode mit der Anode der zweiten Diode D1 verbunden ist. Die zweite Zenerdiode Z3 reduziert die an den zweiten Kondensator C1 angelegte Spannung um ihre Durchbruchspannung und wirkt so als Spannungssteuereinheit.
Die Last, die an den Ausgang des Spannungsvervielfacherteils angeschlossen ist, entspricht der in 17 dargestellten Last, d.h. sie entspricht im Wesentlichen der in 5 dargestellten Last, abgesehen vom Filterkondensator C3. Auch hier gelten die entsprechenden Erläuterungen oben.
20 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform eines Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Spannungsvervielfacherteil des Treibers basiert auf einer Greinacher-Spannungsverdopplerschaltung mit einer Stromsteuereinheit in Reihe mit dem ersten Kondensator C2 und einer Spannungssteuereinheit in Reihe mit dem zweiten Kondensator C1. Die Stromsteuereinheit entspricht im Wesentlichen der in 11 dargestellten Stromsteuereinheit. Auch hier gelten die entsprechenden Erläuterungen oben.
Die Stromsteuereinheit umfasst einen Widerstand R1 zur Erfassung des Stroms zum Kondensator C2. Ein erster Anschluss des Widerstandes R1 ist mit einem der Anschlüsse des ersten Kondensators C2 verbunden. Ein erster Transistor kann zwischen die erste Diode D2 und den Widerstand R1 geschaltet werden. Insbesondere kann der Transistor ein MOSFET Q1 vom n-Kanal-Anreicherungstyp sein, wobei der Drain-Anschluss des MOSFET Q1 mit der Kathode der ersten Diode D2 und der Source-Anschluss des MOSFET Q1 mit einem zweiten Anschluss des Widerstands R1 verbunden ist. Die Stromsteuereinheit umfasst ferner einen zweiten Transistor Q4, wobei der Basis-Anschluss des zweiten Transistors Q4 mit dem Source-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden ist, der Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors Q4 mit dem Gate-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden ist und der Emitter-Anschluss des zweiten Transistors Q4 mit der Verbindung zwischen dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 verbunden ist. Der Emitter-Anschluss des zweiten Transistors Q4 kann außerdem mit der Anode einer dritten Diode D4 verbunden werden. Die Kathode der dritten Diode D4 kann mit dem Drain-Anschluss des MOSFET Q1 verbunden werden. Der zweite Transistor Q4 kann ein Bipolartransistor (BJT) sein. Wenn der Strom durch den Widerstand R1 zu hoch wird, wird der zweite Transistor Q4 allmählich eingeschaltet, wodurch der MOSFET Q1 abgeschaltet und der Strom zum ersten Kondensator C1 reduziert wird.
Die Last, die an den Ausgang des Spannungsvervielfacherteils angeschlossen ist, entspricht der in 17 dargestellten Last, d.h. sie entspricht im Wesentlichen der in 5 dargestellten Last, abgesehen vom Filterkondensator C3. Auch hier gelten die entsprechenden Erläuterungen oben.
Obwohl die Erfindung durch die oben erläuterten Ausführungsformen veranschaulicht und detailliert beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Andere Varianten können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Umfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
Im Allgemeinen kann „ein“ oder „eine“ als Singular oder Plural verstanden werden, insbesondere mit der Bedeutung „mindestens eine“, „eine oder mehrere“ usw., sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, z.B. durch den Begriff „genau eine“ usw.
Darüber hinaus können numerische Werte den genauen Wert sowie ein übliches Toleranzintervall enthalten, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird.
Merkmale, die in den Ausführungsformen, insbesondere in verschiedenen Ausführungsformen, gezeigt werden, können kombiniert oder ersetzt werden, ohne den Anwendungsbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Stromversorgung mit einer Spannungsvervielfacherschaltung, wobei die Spannungsvervielfacherschaltung mindestens einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvervielfacherschaltung eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in Reihe und/oder parallel zu mindestens einem des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators umfasst.
Stromversorgung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsvervielfacherschaltung eine erste Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in Serie und/oder parallel zu dem ersten Kondensator und eine zweite Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit in Serie und/oder parallel zu dem zweiten Kondensator umfasst, wobei die erste Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit und die zweite Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit identisch sind.
Stromversorgung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannungsvervielfacherschaltung auf einer Delon-Schaltung oder einer Greinacher-Schaltung basiert.
Stromversorgung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit eine Zenerdiode in Reihe mit dem jeweiligen Kondensator umfasst.
Stromversorgung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit eine Zenerdiode parallel zu dem jeweiligen Kondensator umfasst.
Stromversorgung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit mindestens eine Schaltkomponente umfasst.
Stromversorgung nach Anspruch 6, wobei mindestens eine Spannungs- und/oder Stromsteuereinheit einen n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET umfasst, dessen Source-Anschluss mit einem Anschluss des Kondensators verbunden ist, eine erste Zenerdiode, die mit ihrer Anode mit dem Gate-Anschluss des MOSFET und mit ihrer Kathode mit dem Drain-Anschluss des MOSFET verbunden ist, eine zweite Zenerdiode, die mit ihrer Kathode mit dem Gate-Anschluss des MOSFET verbunden ist, und einen Widerstand, der zwischen die Anode der zweiten Zenerdiode und den Source-Anschluss des MOSFET geschaltet ist.
Treiber für eine LED-Lampe oder -Leuchte mit einer Stromversorgung nach einem der vorstehenden Ansprüche.
LED-Lampe oder -Leuchte umfassend einen Treiber, wobei der Treiber eine Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1-7 umfasst.