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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, insbesondere für ein Leuchtdioden (LED) Matrix-Licht, und einen Schaltkreis bei dem eine Konstantstromquelle und Versorgungsspannung mit der Schaltungsanordnung verbunden sind.
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LEDs (englisch für light emitting diodes) finden zunehmenden Einsatz für Beleuchtungszwecke dank ihrer Effizienz, kompakter und robuster Bauweise und Langlebigkeit. LEDs werden zumeist mit Konstantstrom betrieben, daher eignen sich LED-Serienschaltungen besonders gut für den wirtschaftlichen Betrieb mehrerer LEDs mit nur einer Konstantstromquelle. Dabei kann der Bedarf nach individueller LED-Pixel-Austeuerung bestehen, z.B. in Automobilanwendungen, um Matrix-Licht-Funktionen zu implementieren.
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US 2013/0313973 A1 offenbart eine Methode, die LEDs individuell und kostengünstig anzusprechen, indem der LED-Strom auf Aufforderung, zum Beispiel mittels Pulsweitenmodulation (PWM), insbesondere Dimm-PWM, durch parallel zu den LEDs geschaltete FETs umgeleitet wird, um die entsprechenden LEDs ein und auszuschalten. Einige Chiphersteller bieten hochintegrierte IC-Treiber, die die LED-Bypass-Ansteuerung unterstützen.
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Dabei entsteht ein Problem: in den Phasen, in denen die LED-Kette durch Überbrückung einzelner LEDs Sozusagen „gekürzt“ wird (da ein Element in der Kette fehlt), sinkt die Spannung rapide und die in dem mit der Konstantstromquelle einhergehenden Kondensator C1 gespeicherte Energie führt zwangsweise zu einem LED-Strom-Overshoot (englisch für Überschwingen). Der LED-Strom steigt sozusagen ruckartig an.
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Der mit der Konstantstromquelle einhergehende Kondensator ist deshalb erforderlich, da er den Stromrippel in den LED-Zuleitungen (relevant für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)) und in den LEDs selbst reduziert. Werte der des Kondensators können in dem Bereich von 1µE bis 4,7µF liegen. Diese Werte können allerdings zu stark ausgeprägten LED-Stromspitzen führen, die die Auslegung der LEDs verletzen können. Hierbei sind Stromspitzenwerte der Power-LEDs von maximal 1A bis 3A vorgesehen.
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US 8 203 283 B2 betrifft das Überstrom-Problem bei dynamischer Überbrückung der LEDs in einer Kette mit Parallel-Kondensator - nämlich die LED-Stromspitze, die im Moment der Ausgangsspannungs-Reduktion auftritt. Hierbei wird der mit der Konstantstromquelle einhergehende Kondensator durch mehrere parallel zu den einzelnen LEDs geschaltete Kondensatoren ersetzt. Das Entladen dieser Kondensatoren geschieht durch individuell dafür vorgesehene Schalter. Die Entstehung der LED-Stromspitzen wird somit vermieden.
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Diese Lösung ist simpel und effizient, weist jedoch bestimmte Nachteile auf. Physisch ist es schwierig, mehrere Kondensatoren parallel zu den einzelnen LEDs zu bestücken, zum Beispiel in dem Fall, dass sie, gemeinsam mit den Überbrückungsschaltern, auf eigenen LED-Substrat-PCBs (Printed Circuit Board, englisch für gedruckte Leiterplatte) von unterschiedlichen Elektronik-Herstellern kommen.
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Ferner kann die Gesamtkapazität, die die treibende LED-Stromquelle (zum Beispiel ein Buck-Regler) an ihrem Ausgang sieht, variabel sein. Die Gesamtkapazität wird geringer bei steigender Ausgangsspannung und -Leistung, da mehrere Kondensatoren in Serie am Wandler-Ausgang geschaltet sind. Dies widerspricht EMV- und Stabilitätsüberlegungen, nämlich gute Pufferung und niedriger Ausgangsrippel.
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Außerdem stellen die Entladeströme der „verteilten“ Kondensatoren bei hohen Ausgangsleistungen eine zusätzliche Belastung für die Überbrückungsschalter dar, die bei Kapazitätswerten von 470nF bis 1µF und höher die Überbrückungs-FETs unter Umständen zerstören können.
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Der Kondensator als Ausgangskondensator der Konstantstromquelle ist deshalb im Gegensatz zu
US 8 203 283 B2 direkt im Leistungsteil des entsprechenden LED-Treibers (meistens ein Buck-Konverter) angeordnet, um minimale Stromschleifen und somit minimale elektromagnetische Abstrahlungen zu garantieren.
US 8 203 283 B2 schlägt jedoch vor, dass der verteilte Kondensator eher bei den LEDs oder Bypass-Schaltern als bei dem Wandler selbst platziert wird.
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Aus der
DE 10 2017 100 741 A1 ist eine Schaltungsanordnung einer Beleuchtungseinrichtung, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, bekannt mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Halbleiterlichtquellen, wobei wenigstens eine erste Halbleiterlichtquelle durch eine zur ersten Halbleiterlichtquelle parallel geschaltete Bypass-Schaltung steuerbar überbrückbar ist, und mit einer einen Glättungskondensator umfassenden Stromquelle, die die in Reihe geschalteten Halbleiterlichtquellen speist, wobei die Schaltungsanordnung eine, vorzugsweise ansteuerbare, elektrische Lastanordnung aufweist, die parallel zu den wenigstens zwei in Reihe geschalteten Halbleiterlichtquellen und/oder parallel zu dem Glättungskondensator angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2017 200 490 B3 ist eine Steuervorrichtung bekannt zum Steuern einer Stromstärke eines Diodenstroms einer LED-Kettenschaltung, aufweisend: eine Versorgungsschaltung zum Bereitstellen des Diodenstroms an einem ersten Anschluss der LED-Kettenschaltung, einen den ersten Anschluss mit einem Massepotential verbindenden Glättungskondensator zum Verringern einer Welligkeit eines zeitlichen Verlaufs des Diodenstroms und eine Überbrückungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, in der LED-Kettenschaltung Leuchtdioden einzeln oder in Teilgruppen elektrisch kurzzuschließen. Die
DE 10 2017 200 490 B3 sieht vor, dass an einem zweiten Anschluss der LED-Kettenschaltung der Diodenstrom über einen Regeltransistor zu dem Massepotential geführt ist und eine Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage einer integrierenden Regelung einen Spannungsabfall über dem Regeltransistor auf einen vorbestimmten Sollwert einzuregeln.
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Aus der
DE 10 2014 118 795 A1 ist eine Beleuchtungsbaugruppe bekannt, die eine Konstantstromschaltung, einen Glättkondensator und eine Bypass-Steuereinheit enthält. Die Konstantstromschaltung liefert einen Konstantstrom an mehrere in Reihe geschaltete lichtemittierende Festkörperelemente. Der Glättkondensator ist zwischen Ausgangsanschlüsse der Konstantstromschaltung geschaltet. Die Bypass-Schaltung ist parallel zu einem oder mehreren der mehreren lichtemittierenden Festkörperelemente geschaltet. Die Detektionseinheit detektiert, ob das eine oder die mehreren lichtemittierenden Festkörperelemente geöffnet sind. Wenn die Detektionseinheit detektiert, dass mindestens eines des einen oder der mehreren lichtemittierenden Festkörperelemente geöffnet ist, entlädt die Bypass-Steuereinheit den Glättkondensator während einer Entladeperiode, um dann das eine oder die mehreren lichtemittierenden Festkörperelemente durch die Bypass-Schaltung zu überbrücken.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere soll der Strom-Overshoot begrenzt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung weist eine Leuchtdioden (LED)-Kette auf. Die LED-Kette hat mehrere LEDs. Die Schaltungsanordnung weist ferner Bypass-Schaltelemente auf. Jeder LED der LED-Kette ist einer der Bypass-Schaltelemente zugeordnet. Ferner weisen die Bypass-Schaltelemente jeweils einen Treiberanschluss auf. Jedes der Bypass-Schaltelemente ist ausgebildet, die zu dem Bypass-Schaltelement zugehörige LED der LED-Kette, basierend auf einer Spannung an dem zu dem Bypass-Schaltelement zugehörigen Treiberanschluss, zu überbrücken. Die Schaltungsanordnung weist ferner einen Schalter auf. Die Treiberanschlüsse der Bypass-Schaltelemente sind über einen gemeinsamen Knotenpunkt mit dem Schalter verbunden. Der Schalter ist ausgebildet, basierend auf einer an dem Knotenpunkt anliegenden Spannung, einen Kondensator einer an die LED-Kette anschließbaren, anzuschließenden oder angeschlossenen Stromquelle, zum Beispiel eine Konstantstromquelle, zu entladen.
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Hierdurch lässt sich der Stromanstieg wesentlich verringern. Ausgangsrippel können hierdurch ebenso verringert werden.
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Die Bypass-Schaltelemente können Bypass-Schalter sein, welche vorgesehen sind, die dazugehörige LED strommäßig zu überbrücken, so dass kein oder ein sehr geringer Strom durch die dazugehörige LED fließt. Das Überbrücken kann durch einen am Treiberanschluss angeschlossenen PWM bereitgestellt sein. Die PWMs können zusammenwirken, um eine der LED-Kette eine Lichtfunktion im Sinne einer Beleuchtungsfunktion zuzuordnen. Hierdurch lassen sich verschiedene Lichtmuster durch zu- und/oder abschalten einzelner LEDs erreichen.
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Der Schalter kann ein Bauelement sein, welches zwei Zustände einstellen kann, Ein und Aus. Beispielhaft kann in einem Zustand, der Kondensator der an die LED-Kette anzuschließenden/anschließbaren Stromquelle über den Schalter mit einem Massepotential verbunden sein. In dem anderen Zustand kann der Kondensator der an die LED-Kette anzuschließenden/anschließbaren Stromquelle durch den Schalter von dem Massepotential (galvanisch) getrennt sein.
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Die LED-Kette kann so verstanden werden, dass die LEDs hintereinander geschaltet sind. Aufeinanderfolgende LEDs der LED-Kette können jeweils einen Verbindungspunkt teilen.
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Eine Licht emittierende Diode (LED) oder Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten LED oder in Form mindestens eines LED-Chips, der eine oder mehrere Leuchtdioden aufweist, oder in Form einer Mikro-LED oder einer Nano-LED (Smart Dust), vorliegen. Es können mehrere LED-Chips auf einem gemeinsamen Substrat („Submount“) montiert sein und eine LED bilden oder einzeln oder gemeinsam beispielsweise auf einer Platine (z.B. FR4, Metallkernplatine, etc.) befestigt sein („CoB“ = Chip on Board). Die mindestens eine LED kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, beispielsweise mit mindestens einer Fresnel-Linse oder einem Kollimator. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen LEDs, beispielsweise auf Basis von AlInGaN oder InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs) einsetzbar.
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Die LED-Chips können direkt emittierend sein oder einen vorgelagerten Leuchtstoff aufweisen. Alternativ kann die lichtemittierende Komponente eine Laserdiode oder eine Laserdiodenanordnung sein. Denkbar ist auch eine OLED-Leuchtschicht oder mehrere OLED-Leuchtschichten oder einen OLED-Leuchtbereich vorzusehen. Die Emissionswellenlängen der lichtemittierenden Komponenten können im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich liegen. Die LED-Chips können weißes Licht im genormten ECE-Weißfeld der Automobilindustrie emittieren, beispielsweise realisiert durch einen blauen Emitter und einen gelb/grünen Konverter.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Insbesondere kann zwischen jedem Treiberanschluss der Bypass-Elemente und dem Knotenpunkt ein Widerstand und eine Diode in Serie geschaltet sein. Ferner kann eine Anode der Diode mit dem Knotenpunkt verbunden sein.
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Somit kann ein Spannungsdetektor in Form einer Diode bereitgestellt sein, um wirksam den Schalter betätigen zu können.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann der Schalter ein Feldeffekt-Transistor (FET) sein. Die Treiberanschlüsse der Bypass-Schaltelemente können über den gemeinsamen Knotenpunkt mit einem Gate-Anschluss des FET verbunden sein.
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Hierdurch lässt sich ein stromsparender Schalter in die Schaltungsanordnung integrieren.
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Außerdem kann ein Drain-Anschluss des FET mit einer Parallelschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand verbunden sein. Der FET kann ausgebildet sein, basierend auf der an dem Knotenpunkt anliegenden Spannung, den Kondensator der an die LED-Kette anschließbaren, anzuschließenden oder angeschlossenen Stromquelle über die Parallelschaltung zu entladen.
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Durch Auswahl der RC-Parallelschaltung bzw. der dazugehörigen Zeitkonstante kann die Entladegeschwindigkeit des Kondensators der an die LED-Kette anschließbaren, anzuschließenden oder angeschlossenen Stromquelle eingestellt werden.
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Ebenso kann ein Source-Anschluss des FET mit dem Massenpotential verbunden sein. Hierdurch lässt sich ein effektiver Schalter bereitstellen.
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Ein Differentiator kann zwischen dem Schalter und dem Knotenpunkt geschaltet sein. Zwischen dem Differentiator und dem Schalter kann auch ein Gate-Treiber angeordnet sein. Der Gate-Treiber kann ausgebildet sein, das Ausgangssignal des Differentiators zu verstärken und an den Schalter weiterzugeben, um diesen zu betätigen. Hierbei kann der Differentiator einen Operationsverstärker/Komparator aufweisen. Der Operationsverstärker/Komparator kann mit einer Versorgungsspannung verbindbar sein. Der Operationsverstärker/Komparator kann zwei Eingangsanschlüsse aufweisen. Der eine Eingangsanschluss kann ausgebildet sein, mit einer Referenzspannung versorgt zu sein. Der andere Eingangsanschluss kann mit einem Hochpass verbunden sein.
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Hierdurch kann eine verbesserte Vorschaltung des Schalters bereitgestellt sein.
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Genauso kann die Schaltungsanordnung ferner einen Widerstand aufweisen. Ein erster Anschluss des Widerstands kann mit dem Knotenpunkt verbunden sein. Ein zweiter Anschluss des Widerstands kann vorgesehen sein, mit der Versorgungsspannung verbunden zu sein bzw. verbindbar ist.
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Hierdurch kann mittels dieses Widerstands und der Serienschaltung aus Widerstand und Diode jedes von dem Knotenpunkt zu dem Treiberanschluss führenden Zweigs eine geeignete Spannungsdetektion bereitgestellt sein, um den Spannungszustand der Treiberschaltungen zu detektieren und den Schalter entsprechend dieses Zustands zu schalten, damit der Kondensator der Stromquelle über den Schalter entladen werden kann ohne einen Überstrom durch die LEDs zu erzeugen. Der Knotenpunkt kann sich genau zwischen dem mit der Versorgungsspannung zu verbindenden Widerstand und der Serienschaltung aus Widerstand und Diode jedes von dem Knotenpunkt zu dem Treiberanschluss führenden Zweigs befinden.
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Der Hochpass kann einen Kondensator und einen Widerstand aufweisen. Der Kondensator kann zwischen dem Knotenpunkt und dem anderen Eingangsanschluss des Operationsverstärkers/Komparators geschaltet sein. Der Widerstand kann zwischen dem anderen Eingangsanschluss des Operationsverstärkers/Komparators und dem Massepotential geschaltet sein. Hierdurch ergibt sich die Funktionsweise des Differentiators.
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Ferner können Betriebsspannungsanschlüsse des Operationsverstärkers/Komparators ausgebildet sein, entsprechend mit der Versorgungsspannung beziehungsweise mit dem Massepotential verbunden zu sein. So ist zum Beispiel ein Betriebsanschluss mit dem Massepotential und der andere Betriebsanschluss mit der Versorgungsspannung verbunden.
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Die Spannung an dem jeweiligen Treiberanschluss kann sich hierbei auf das Massepotential beziehen. Die Spannungen an den Treiberanschlüssen können außerdem gleich sein.
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Diese Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch einen Schaltkreis. Der Schaltkreis weist eine Schaltungsanordnung wie oben beschrieben auf. Ferner kann der Schaltkreis die oben genannte Stromquelle und die oben genannte Versorgungsspannung aufweisen. Beide sind im Falle des Schaltkreises mit den entsprechenden Anschlussstellen der Schaltungsanordnung, wie oben beschrieben und dem Fachmann ebenso klar ist, verbunden. So kann die Versorgungsspannung mit den oben definierten Bauelementen direkt verbunden sein. Dies gilt ebenso für die Stromquelle und den dazugehörigen Kondensator.
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Es ist dem Fachmann klar, dass die hierin dargelegten Erklärungen unter Verwendung von Hardwareschaltungen, Softwaremitteln oder einer Kombination davon implementiert sein/werden können. Die Softwaremittel können im Zusammenhang stehen mit programmierten Mikroprozessoren oder einem allgemeinen Computer, einer ASIC (Englisch: Application Specific Integrated Circuit; zu Deutsch: anwendungsspezifische integrierte Schaltung) und/oder DSPs (Englisch: Digital Signal Processors; zu Deutsch: digitale Signalprozessoren).
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Beispielsweise die Stromquelle, insbesondere die Konstantstromquelle, und die Treiberschaltung bzw. die Bypass-Schaltelemente teilweise als ein Computer, eine Logikschaltung, ein FPGA (Field Programmable Gate Array; zu Deutsch: im Feld programmierbare Logik-Gatter-Anordnung), ein Prozessor (beispielsweise umfassend einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller (µC) oder einen Vektorprozessor)/Core (zu Deutsch: Hauptspeicher, kann in dem Prozessor integriert sein beziehungsweise von dem Prozessor verwendet werden)/CPU (Englisch: Central Processing Unit; zu Deutsch: zentrale Prozessoreinheit; wobei mehrere Prozessorkerne möglich sind), eine FPU (Englisch: Floating Point Unit; zu Deutsch: Gleitkommaprozessoreinheit), eine NPU (Englisch: Numeric Processing Unit; zu Deutsch: Numerische Prozessoreinheit), eine ALU (Englisch: Arithmetic Logical Unit; zu Deutsch: arithmetisch-logische Einheit), ein Koprozessor (zusätzlicher Mikroprozessor zur Unterstützung eines Hauptprozessors (CPU)), eine GPGPU (Englisch: General Purpose Computation on Graphics Processing Unit; zu Deutsch: Allzweck-Berechnung auf Grafikprozessoreinheit(en)), ein Parallelrechner (zum gleichzeitigen Ausführen, unter anderem auf mehreren Hauptprozessoren und/oder Grafikprozessoren, von Rechenoperationen) oder ein DSP realisiert sein.
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Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die Schaltungsanordnung beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf den Schaltkreis zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf den Schaltkreis beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die Schaltungsanordnung zutreffen.
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Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „verbunden ist“, damit „in Verbindung steht“, kann dies heißen, dass sie damit unmittelbar verbunden ist oder auf diese unmittelbar zugreift; hierbei ist aber anzumerken, dass eine weitere Komponente dazwischenliegen kann. Heißt es andererseits, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „unmittelbar verbunden“ ist, ist darunter zu verstehen, dass dazwischen keine weiteren Komponenten vorhanden sind.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Schaltkreises mit Konstantstromquelle und eine dafür vorgesehene Schaltungsanordnung.
- 2 eine schematische Darstellung einer Simulation bei Verwendung der Schaltungsanordnung.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 1 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorstehend vorgeschlagenen Konzept in Bezug auf die oben beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
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Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere (r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“, „links“, „linke(r)/linkes“, „rechts“, „rechte (r)/rechtes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
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Die Schaltungsanordnung 5 und der Schaltkreis 1 werden nun anhand einer Ausführungsform beschrieben.
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Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist, durch geeignete elektronische Schaltung, hierin als Schaltungsanordnung 5 bezeichnet, eine Amplitude der LED-Stromspitze, die bei dynamischer Überbrückung einzelner LEDs in einer Kette (LED1, LED2, LED3, LED4, LED5) entsteht, soweit zu reduzieren, bis die LED-Spezifikation in Bezug auf den zulässigen LED-Spitzenstrom erfüllt ist.
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Die Schaltung 5 zur Erkennung der LED-Stromspitzen funktioniert folgendermaßen. Die Pulsweitenmodulation (PWM)-Spannungsquellen (PWM1, PWM2, PWM3, PWM4, PWM5), die hierin auch als Treiberanschlüsse bezeichnet sind, die die Bypass-Transistoren (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5), die hierin auch zumindest teilweise als Bypass-Schaltelemente ausgelegt werden können, antreiben (dies können Microcontroller-Pins, insbesondere Timer-Ausgänge sein) werden durch Widerstände (R1, R2, R3, R4, R5) und Dioden (D1, D2, D3, D4, D5) mit dem Widerstand R6 verbunden.
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Die Superposition der Ströme durch die Widerstände (R1, R2, R3, R4, R5), bedingt durch die Timings der PWM-Signale (PWM1, PWM2, PWM3, PWM4, PWM5), erzeugt einen Spannungshub auf dem Widerstand R6. Somit liefert die Spannung an den Anoden von (D1, D2, D3, D4, D5) die Information über jede steigende oder fallende Flanke der PWM-Signale (PWM1, PWM2, PWM3, PWM4, PWM5). Diese Spannung kann in weiterer Folge über den Differentiator Cd, Rd und dem Komparator/Operationsverstärker O3 so ausgewertet werden, dass jedes Mal, wenn ein LED-Bypass-Transistor (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5) angesteuert wird (PWMx wird auf „high“, englisch für hoch, gesetzt) und die LED-Kettenspannung dadurch zwanghaft verkürzt wird, ein positiver Spannungspuls am Ausgang des Komparators O3 generiert. Dieser Puls wird vom Gate-Treiber Dc bezeichnet, verstärkt und steuert den FET Qc an.
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Der FET Qc hat die Aufgabe, den Kondensator Cb, der parallel zu der LED-Kette (LED1, LED2, LED3, LED4, LED5) angeschlossen ist, schnell über den Kondensator Cc und den Widerstand Rc zu entladen und somit den LED-Überstrom bei der zwangsläufigen Verkürzung der LED-Kette zu vermeiden.
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Der Ausgangskondensator Cb des Konstantstromwandlers bzw. der Konstantstromquelle 2 wird durch den FET Qc und dem RC-Glied aus Kondensator Cc und Widerstand Rc entladen.
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Durch feine Abstimmung der Zeitkonstante des RC-Gliedes kann die Entladetiefe- und -Geschwindigkeit an konkrete LED-Stromanforderungen angepasst werden. Die Dauer der Entladepulse, auf der anderen Seite, kann durch geeignete Wahl der Differentiator-Komponenten Cd, Rd und der Komparator-Referenz c_ref so eingestellt werden, dass der LED-Überstrom in gewünschtem Maß reduziert wird.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser LED Stromspitzendetektorschaltung 4 ist, dass sie keine Auskunft über die Timings (Pulsbreite, Frequenz oder Phasenversatz) der einzelnen PWM-Signale (PWM1, PWM2, PWM3, PWM4, PWM5) braucht, um die Information abzuleiten, wann eine LED-Ketten-„Kürzung“ passiert und darauf basierend eine Stromspitze entsteht. Die vorgeschlagene LED Stromspitzendetektorschaltung 4 ist somit unabhängig von der Applikationssoftware, die die einzelnen PWMs (PWM1, PWM2, PWM3, PWM4, PWM5) ansteuert.
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Die Pulsdauer, Periode und Phasenversatz der PWM-Signale (PWM1, PWM2, PWM3, PWM4, PWM5) können absichtlich so gewählt sein, dass sich die Steuerpulse häufig „überschneiden“ und somit in der LED-Bypass-Schaltung 3 oft LED-Kettenverkürzungen und LED-Überströme bewirkt werden.
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Bei jeder fallenden Flanke der LED-Kettenspannung V(out) ein Steuerpuls durch den Gate-Treiber Dc für den Entlade-FET Qc erzeugt wird, nämlich am Gate des FET Qc.
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Die Länge des Steuerpulses ist proportional zum negativen Spannungshub der Kettenspannung V(out) und wird von der Anodenspannung der Dioden (D1, D2, D3, D4, D5) abgeleitet und durch den Differentiator Cd, Rd in die Spannung umgewandelt, die dem Komparator O3 zugeführt wird. Mithilfe einer passenden Referenzspannung c_ref erzeugt der Komparator O3 den Steuerpuls für den nachgeschalteten FET Qc.
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Die LED-Kette (LED1, LED2, LED3, LED4, LED5) wird in diesem Beispiel von der Konstantstromquelle 2, auch bezeichnet als „Hysterese-Buck-Konverter“, angetrieben. Beispielhaft könnte dies aber auch ein Boost- oder SEPIC-Wandler oder eine aktive Stromquelle, gebildet zum Beispiel mit Operationsverstärkern und Transistoren sein. Die Anzahl der LEDs pro „Segment“, also die LED-Anzahl zwischen Drain und Source eines der FETs (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5), kann auch größer eins sein. Dies kann dann einen noch stärkeren Spannungshub und LED-Überstrom bewirken. Parallel zu der Stromquelle ist der Kondensator Cb angeschlossen, der für LED-Ripplestrom-Begrenzung und EMV Performanz zuständig ist. Der Kondensator Cb kann als Teil der Konstantstromquelle 2 angesehen werden bzw. Teil dessen sein. Einen Teil der Konstantstromquelle 2 können unter anderem nachfolgende Elemente wie sie in 1 zu sehen sind bilden. Eine Eingangsspannung Vin zum Erzeugen eines Eingangsstroms (in), ein Eingangskondensator C3, ein erster Schalter S1, ein zweiter Schalter S2, ein erster Komparator O1, ein zweiter Komparator O2, die entsprechend mit einer hohen Spannung Vhi und einer niedrigen Spannung Vlo verbunden sind und durch eine Versorgungsspannung Vc gespeist werden, einem FlipFlop RS, einem Widerstand Rsns und einer Spule Lb.
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Die LEDs (LED1, LED2, LED3, LED4, LED5) werden durch die Parallel-Schalter (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5) überbrückt, um die Dimm-PWMs (PWM1, PWM2, PWM3, PWM4, PWM5) in einer LED-Matrix-Ansteuerung umsetzen zu können.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Simulation unter Verwendung der in 1 erwähnten Schaltungsanordnung 5.
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Diese Simulation zeigt, dass durch den Einsatz der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung 5, die LED-Stromvorgabe ohne Überstromspitzen eingehalten wird. Bei jeder fallenden Flanke der LED-Kettenspannung V(out), die einer LED-Ketten-Verkürzung entspricht, wird ein kurzer Entladepuls erzeugt, der den Ausgangskondensator des KonstantstromWandlers entlädt und somit Überstrom-Spitzen vermeidet. Die im Ausgangskondensator Cb gespeicherte Energie wird dabei in Wärme im FET Qc umgewandelt.
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Beispielhafte Werte für die einzelnen Bauelemente können wie folgt lauten: Lb mit 22µH, Cb mit 1µE I_LED mit 1A R1, R2, R3, R4, R5 mit 5kΩ, R6 mit 5kΩ, D1, D2, D3, D4, D5 als 1N914, Cd mit 330pF, Rd mit 10kΩ, c_ref mit 75mV, Cc mit 10µF, Rc mit 10Ω, Qc als N-FET, 90mΩ, 6nC, LED1 mit 3 pcs, LED2 mit 2 pcs, LED3 mit 2 pcs, LED4 mit 4 pcs, LED5 mit 1 pcs.
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Die Verlustleistung kann im Bereich um 1W liegen, zum Beispiel etwa 1,1W.
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Die Effektivität der Schaltungsanordnung 5 wird durch die Verbindung zwischen dem Widerstand Rc, dem Kondensator Cc und dem Kondensator Cb deutlich verbessert.
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Es ist anzumerken, dass die Konstantstromquelle 2, die die LEDs (LED1, LED2, LED3, LED4, LED5) antreibt, zum Beispiel ein DC/DC-Wandler oder eine andere aktive Stromquelle ausgelegt ist, mit einem Kurzschluss am Ausgang zu arbeiten, da die vorgeschlagene Schaltungsanordnung 5 den Ausgang durch den Rdson des FETs Qc kurzschließt, um die im Ausgangskondensator Cb gespeicherte Energie möglichst schnell in Wärme umzusetzen.
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Der hier dargestellte Hysterese-Buck-Konverter erfüllt diese Anforderung. Die Frequenz des Spulenstroms I(Lb) ändert sich je nach Amplitude der LED-Kettenspannung V(out) und wird tiefer bei Kurzschluss am Ausgang. Die LED-Ströme I(LED1, LED2, LED3, LED4, LED5) bleiben jedoch auf einem Wert, zum Beispiel 1A, ausgeregelt, wenn auch mit unterschiedlichem Rest-Rippel, bedingt durch die variable Frequenz des Spulenstroms.
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Folgende Vorteile bietet die Schaltungsanordnung 5.
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Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung 5 eliminiert schnell und effektiv die LED-Stromspitzen. Somit kann eine LED-Spitzenstrom-Begrenzung bereitgestellt werden.
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Die vorgeschlagene Schaltung 5 ist kosteneffizient. Der Komparator arbeitet in der Nähe des Massenpotentials und ist somit kostengünstig. Ferner kann der Clamp-FET Qc einen hohen Einschaltwiderstand RDSon aufweisen. Hierdurch kann Strom und damit Kosten eingespart werden.
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Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung 5 kann je nach konkreter Situation (Anzahl der LEDs, zulässige Amplitude der LED-Ströme) durch geeignete Auswahl der Komponenten auf Effizienz oder mehr auf Begrenzungswirkung ausgelegt und optimiert sein. Dies erhöht die Flexibilität der Schaltung.
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Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung 5 benötigt keine Auskunft über die Timings (Pulsbreite, Frequenz oder Phasenversatz) der einzelnen PWM-Signale, um die Information abzuleiten, wann eine LED-Ketten-„Kürzung“ passiert und daher eine Stromspitze entsteht. Somit kann demnach autonom sein.
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Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung 5 kann folglich völlig unabhängig von der Applikationssoftware sein, die die einzelnen PWMs ansteuert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltkreis
- 2
- Konstantstromquelle
- 3
- LED-Bypass-Schaltung
- 4
- LED Stromspitzendetektorschaltung
- 5
- Schaltungsanordnung
- 6
- LED Stromspitzendetektorschaltung
- LED1...5
- LED-Kette
- Q1...5, S1, Qc
- FETs
- PWM1...5
- Treiberspannungen
- R1...6, Rc, Rd, Rsns
- Widerstände
- D1...5
- Dioden
- Vc
- Versorgungsspannung
- RS
- Flipflop
- Vin
- Eingangsspannung
- C1...3, Cb, Cd, Cc
- Kondensatoren
- Dc
- Gate-Treiber
- O1...3
- Operationsverstärker/Komparator
- Lb
- Spule
- Vhi, Vlo
- Spannungsquellen
- Cref
- Referenzspannung
- Z
- Gemeinsamer Knotenpunkt
