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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einer LED-Anordnung
und einer elektronischen Einrichtung zum Stromfreischalten der LED-Anordnung,
die eine Störung
in der LED-Anordnung erkennt und die LED-Anordnung von einer Versorgungsspannung
trennt. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Schaltungsanordnung
zur Abschaltung einer an der Versorgungsspannung (UV)
angeschlossenen LED-Anordnung (eines LED-Arrays), insbesondere einer Lichtsignaleinrichtung,
von der Versorgungsspannung.
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Fehlerhafte
LED-Lichtquellen müssen
in sicherheitsrelevanten Applikationen, insbesondere bei Straßenverkehrssignalgebern
und bei Bahnsignalgebern zuverlässig
zur Abschaltung bzw. zum Wechsel in den Fehlerbetriebsmodus der
Gesamtanlage (z. B. einer kompletten Verkehrskreuzungsanlage) führen.
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Als
LED-Anordnungen gelten vorliegend grundsätzlich alle denkbaren LED-Verschaltungen wie
z.B. zwei oder mehr parallel zueinander verschaltete LED-Ketten,
in denen jeweils mindestens ein LED-Bauelement angeordnet ist, wobei
bei zwei oder mehr LED-Bauelementen, diese seriell miteinander verschaltet
sind.
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Ein
Fehlerfall ist z. B. der Ausfall durch eine Unterbrechung einer
elektrischen Verbindung von einer LED-Kette oder von mehreren LED-Ketten
in einer LED-Anordnung (z.B. in einer flächigen LED-Anordnung). Ein
derartiger Fehler muss mit Hilfe einer geeigneten Schaltung erfasst
und an eine Steuereinheit (z. B. an einen Ampel-Controller) der Gesamtanlage weitergegeben
werden können.
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Eine
Kontaktunterbrechung wird beispielsweise auch durch das Durchbrennen
des Glühdrahts einer
Lampe bewirkt. Dadurch wird der Stromfluß durch die Lampe unterbrochen.
Da Lampen gegenüber
LEDs eine höhere
Verlustleistung und eine geringere Lebensdauer aufweisen, werden
LED-Anordnungen vermehrt bevorzugt. Bei diesen kann, wie es bereits
vorstehend gesagt wurde, der Fehler einer Kontaktunterbrechung auftreten.
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Im
Normalfall führen
zu einer (LED-)Lichtquelle nur die Versorgungsleitungen (zwei Adern), und
der Fehlerfall wird dann erkannt, wenn kein Strom mehr über diese
Versorgungsleitungen fließt.
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Ausfälle bei
herkömmlicher
Standard-Lampentechnologie bewirken lediglich eine Kontaktunterbrechung
(„open
contact"), wobei
der Fehler mittels einer Steuereinrichtung („controller") erkannt wird. Für LED-Applikationen
in Umfeld dieser Standard-Lampentechnologie wird der Fehlerfall
der Kontaktunterbrechung herkömmlicherweise
schaltungstechnisch nicht gesondert berücksichtigt. Man geht von einem
relativ gut zu handhabenden Verhalten einer solchen LED-Anordnung
bei einer Kontaktunterbrechung aus, was jedoch nicht in jedem Fall
gewährleistet
ist.
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In
der
US 6,150,771 ist
eine Schaltungsanordnung mit einem LED-Signal und einem Fehlerkreis
zur Stromfreischaltung der Schaltungsanordnung offenbart. Der Fehlerkreis
detektiert eine Verringerung eines Ausgangsstromes aufgrund eines
Fehlers des LED-Signals und betätigt,
bei einer vorgegebenen Größe und einem
Andauern der Verringerung des Ausgangsstromes von mehreren Sekunden,
eine mit dem LED-Signal in Serie geschaltete Sicherung. Eine derartige
Schaltungsanordnung ist relativ aufwendig und nicht für alle Anwendungen
zweckmäßig.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, die bei einer Störung zuverlässig zur
Abschaltung bzw. zum Wechsel in den Fehlerbetriebsmodus einer Gesamtanlage
mit einer LED-Anordnung führt.
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Die
elektrotechnische Schaltung soll durch Komposition von unkritischen
elektronischen Komponenten bereitgestellt werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis
11 angegeben.
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Es
ist insbesondere eine elektronische Vorrichtung vorgesehen, die
eine Unterbrechung in einer LED-Kette (Kette x) einer LED-Anordnung
erkennt und die LED-Anordnung durch einen aufgrunddessen sperrend
geschalteten Feldeffekttransistor (FET) von der Versorgungsspannung
(UV) trennt, wobei der FET mit seiner Source-Drain-Strecke
in Serie zur LED-Anordnung angeschlossen ist.
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Dabei
lautet das Funktionsprinzip der Abschaltung folgendermaßen:
Wesentliches
Element der Schaltungsanordnung ist ein elektronischer Schalter
in Form eines Feldeffekttransistors (FET), der eine LED-Anordnung
von der Spannungsversorgung trennt. Der elektronische Schalter wird
insbesondere als ein Power MOSFET V mit einem V-förmigen Gate
ausgeführt,
da dieser besonders für
große
Leistungen geeignet ist, die bei LED-Anordnungen auftreten. Der
FET ist bevorzugt selbstsperrend und weist bevorzugt einen n-Kanal auf.
Dabei ist die Source-Drain-Strecke
in Serie zur LED-Anordnung geschaltet. Auch andere unipolare Transistoren,
wie z.B. Sperrschicht-FETs (PN-FETs) oder
andere Isolierschicht-FETs (IG-FETs) – selbstsperrend und p-Kanal;
selbstleitend und n-Kanal; selbstleitend und p-Kanal -sind als elektronische Schalter
grundsätzlich
ebenso verwendbar.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform liegt
die zur Steuerung eines Feldeffekttransistors FET notwendige Gate-Source-Spannung an
einem ohmschen Widerstand R an.
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Weiter
ist es vorteilhaft, einen Ausfall in einer LED-Anordnung mittels
einer Zenerdiodenanordnung ZD1, ...,ZDm zu erfassen und die LED-Anordnung
mittels Auslösens
einer Sicherung, welches zum Schalten des FETs führt, von der Versorgungsspan nung
UV zu trennen. Dabei ist m die Höchstzahl der
Zenerdioden mit m ≥ 1
und „ZD" steht für Zenerdiode.
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Eine
Sicherung, z.B. in Form eines Schmelzwiderstands Fu, ist ein sehr
robustes Bauelement, das starken mechanischen Beanspruchungen und aggressiven
Umwelteinflüssen
standhält.
Dies gilt ebenso für
die Zenerdiodenanordnung ZD1, ...,ZDm.
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Bei
der Schaltungsanordnung ist besonders bevorzugt die Versorgungsspannung
der LED-Anordnung über
eine Sicherung an den Widerstand R angelegt, und parallel zu dem
Widerstand R die Zenerdiodenanordnung in Bezug auf die Versorgungsspannung
UV in Sperrrichtung angeschlossenen.
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Ebenso
umfaßt
die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren unter Verwendung einer
Schaltungsanordnung gemäß Erfindung.
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Ein
Aufbau der Schaltungsanordnung mit unkritischen elektronischen Komponenten
(Feldeffekttransistor FET, Widerstand R, Zenerdiodenanordnung ZD1,
...,ZDm, Sicherung Fu) gestaltet sich vorzugsweise wie folgt:
Ein
elektrischer Widerstand ist über
eine Sicherung an der Versorgungsspannung angeschlossen. Eine dem
Widerstand parallel geschaltete Zenerdiodenanordnung legt eine Durchlassspannung
fest, bei der die Zenerdiodenanordnung leitend wird.
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Die
Sicherung – z.B.
in Form eines Schmelzwiderstands – wird ausgelöst, wenn
die in Bezug auf die Versorgungsspannung in Sperrrichtung angeschlossenen
Zenerdioden der Zenerdiodenanordnung bei einer Erhöhung der
Versorgungsspannung auf einen bestimmten Mindestspannungswert in
den leitenden Zustand übergehen.
Der zusätzliche Strom,
den die leitenden Zenerdioden der Zenerdiodenanordnung verursachen,
muss ebenso über
die Sicherung fließen.
Die Sicherung ist so ausgelegt, dass der zusätzliche Strom die Auslösung der
Sicherung bewirkt.
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Bei
Erreichen der Durchlassspannung (als eine durch die Auswahl der
Zenerdioden spezifizierte Mindestspannung, damit die Zenerdiodenanordnung leitend
wird) wird der Widerstand mittels der Sicherung von der Versorgungsspannung
getrennt. Damit liegt an dem Widerstand und ebenso zwischen Gate und
Source eines selbstsperrenden FET, dessen Source-Drain-Strecke in Serie
zur LED-Anordnung geschaltet ist, keine Spannung mehr an.
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Der
FET sperrt und schaltet die LED-Anordnung von der Spannungsversorgung.
Dies erfolgt vorteilhafterweise bei einem FET leistungslos.
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Die
spezifizierte Mindestspannung bzw. Durchlassspannung der Zenerdiodenanordnung kann
je nach Aufgabenstellung gewählt
sein. So kann diese Spannung derart festgelegt sein, dass erst bei Kontaktunterbrechungen
z.B. bei mindestens zwei LED-Ketten
die Durchlassspannung erreicht wird.
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Im
normalen Betriebszustand wird diese zur Trennung notwendige Mindestspannung
nicht erreicht, so dass der Feldeffekttransistor leitend geschaltet
ist. An der LED-Anordnung liegt die Versorgungsspannung UV an.
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Die
Zenerdioden der Zenerdiodenanordnung sind in Sperrrichtung in Bezug
auf die Versorgungsspannung UV angeschlossen.
Anstelle von in Serie geschalteten Zenerdioden können die Zenerdioden auch zueinander
parallel geschaltet sein. Auch Mischformen von parallel und in Serie
geschalteten Zenerdioden sind denkbar.
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Durch
die Verwendung von weiteren Sicherungen in Serie zu den einzelnen
LED-Ketten in einer LED-Anordnung ergibt sich vorteilhafterweise
auch die Möglichkeit
fehlerhafte LED-Ketten, in denen z.B. infolge Kurzschluss ein zu
hoher Strom fließt,
weg zu schalten, um damit den Fehlerfall „Kontaktunterbrechung" auszulösen.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
die Sicherungen Schmelzsicherungen sind.
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Durch
die zusätzliche
Verwendung von Stromverteilungsschaltungen wird vorteilhafterweise eine
Symmetrierung der Stromverteilung in den LED-Ketten erreicht.
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Bei
einer Kontaktunterbrechung mindestens einer LED-Kette soll durch
die Stromverteilungsschaltungen weiterhin das Öffnen des elektronischen Schalters
(FET) gewährleistet
sein.
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Die
Schaltungsanordnung bzw. das Verfahren wird bevorzugt für LED-Anordnungen
in Lichtsignaleinrichtungen eingesetzt.
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Weitere
Merkmale, Vorzüge
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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2 eine
LED-Anordnung unter Verwendung einer vorteilhaften Stromverteilungsschaltung für die LED-Anordnung,
und
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3 eine
LED-Anordnung unter Verwendung einer weiteren vorteilhaften Stromverteilungsschaltung
für die
LED-Anordnung.
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Die
wesentlichen Elemente der in 1 gezeigten
Schaltanordnung sind eine Schmelzsicherung Fu, ein Widerstand R,
eine Zenerdiodenanordnung mit Zenerdioden ZD1, ...,ZDm, eine Mehrzahl von
parallel zueinander geschaltenten LED-Ketten, die die LED-Anordnung
bilden, und ein Feldeffekttransistor FET.
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Die
Zenerdiodenanordnung, der Widerstand R, die Sicherung Fu und der
FET bilden zusammen die elektronische Vorrichtung zur Störungserkennung und
Abschaltung der LED-Anordnung.
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Der
FET ist mit seiner Source(S)-Drain(D)-Strecke in Serie zu der LED-Anordnung
(LED-Array) geschaltet. Die Gate-Source-Spannung wird über den Widerstand R aufgebaut bzw.
liegt an diesem an.
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Als
FET-Transistoren können
alle Arten, insbesondere Isolierschicht bzw. Sperrschicht-FETs verwendet
werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Power MOSFETs
V (PowerVMOS FETs). Beim MOSFET V bildet sich ein kurzer Kanal gegenüber dem
V-förmigen
Gate, sobald eine richtig gepolte Gate-Source-Spannung vorhanden ist. PowerMOS FETs
V sind besonders für
große
Leistungen geeignet.
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Es
sind insbesondere sowohl selbstsperrende n-Kanal als auch selbstsperrende
p-Kanal MOSFET-Transistoren verwendbar. Die Verschaltung muss dann
entsprechend angepasst sein. n-Kanal-FETs lassen sich durch p-Kanal-FETs
ersetzen, wenn die zugehörige
Schaltung von der Kathode zur Anode gespiegelt wird.
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1 zeigt
einen selbstsperrenden n-Kanal FET als elektronischen Schalter.
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Anhand
des Ausführungsbeispiels
gemäß 1 läßt sich
die prinzipielle Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordunng
darstellen. Diese weist folgende zwei Betriebszustände auf:
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1. „Störungsfreier" Betriebszustand (Normalbetrieb):
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Am
Widerstand R sowie zwischen Gate und Source des PowerMOSFET V liegt über die
Sicherung Fu die Versorgungsspannung UV an,
so dass die Source-Drain-Strecke leitet. Die Spannung am Widerstand
R reicht nicht für
einen Stromfluss durch die parallel zu R angeschlossene Zenerdiodenanordnung ZD1,
...,ZDm aus. Die Zenerdioden ZD1, ...,ZDm sind zueinander in Serie
geschaltet. Sie können
aber auch parallel zueinander angeordnet sein. Auch Mischformen
von Parallel-und Serienschaltungen sind möglich. Die Summe der Durchlassspannungen
der Zenerdioden ZD1, ...,ZDm ist größer als die Spannung UR am Widerstand R. Die Spannung UR bzw. UV ist zu
niedrig, um alle einzelnen Zenerdioden ZD1, ...,ZDm leitend zu machen.
Durch die Sicherung fließt
ein Strom, der diese noch nicht zum Auslösen bringt. Als Sicherungen
eignen sich beispielsweise Schmelzwiderstände. Der FET ist leitend. Durch
die LED-Anordnung fließt
Strom.
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2. "Fehlerhafter" Betriebszustand (Fehlerbetrieb):
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Der
Ausfall einzelner oder mehrerer LEDs bzw. LED-Ketten (z.B. durch
Kontaktunterbrechung bzw. „open
contact") führt zu einem
Spannungsanstieg an der LED-Anordnung und zu einem Trennen der LED-Anordnung
von der Stromversorgung. Dabei ist es vorteilhaft, in den LED-Ketten
ebenso Sicherungen, insbesondere Schmelz-Widerstände, bereitzustellen. Dies
führt vorteilhafterweise
zu einem Wegschalten von LED-Ketten, insbesondere auch bei Kurzschluß in einer
LED-Kette.
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Anhand
des Ausführungsbeispiels
gemäß 1 sei
die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung dargestellt:
Der
Spannungsanstieg im Störungsfall
(z. B. durch bei elektrischer Unterbrechung einer LED-Kette) tritt auch
an dem Widerstand R und an der parallel zu R angeschlossenen Zenerdiodenanodnung
ZD1, ...,ZDm auf. Liegt an der Zenerdiodenanordnung ZD1, ...,ZDm
die Gesamtdurchlassspannung an, so werden die Zenerdioden durchgeschaltet
und infolgedessen die Sicherung Fu ausgelöst. Daraufhin sinkt die Gate-Source-Spannung
für den
FET, ein PowerMOSFET V, auf Null ab und geht in den sperrenden Zustand über, wodurch
die Abschaltung der LED-Anordnung erfolgt. Diese Abschaltung kann durch
einen hier nicht näher
beschriebenen Controller erkannt werden.
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Grundsätzlich ist
bei entsprechender Schaltungsanpassung auch die Verwendung eines
selbstleitenden FETs denkbar. Der FET muss dann bei Auslösung der
Sicherung durch eine entsprechende Steuerspannung in den sperrenden
Zustand gelangen.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungen
sind die LED-Ketten mittels eines Stromverteilungsschaltung SV auch
bei Veränderung
der Durchlassspannung in den einzelnen Ketten, beispielsweise bei
einem Kurzschluss eines LED-Bauteiles, symmetrisiert.
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Bei
einer Verknüpfung
der Stromverteilungsschaltung gemäß der 2 mit den
erfindungsgemäßen Schaltungen
nach 1 sind die Anoden der LEDs am Pluspol der Versorgungsspannung
UV anschließbar und die Emitter bipolarer
Transistoren über
Widerstände
Rx2 am Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors FET angeschlossen,
dessen Source an den Minuspol der Versorgungsspannung UV anschließbar ist.
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Bei
einer Verknüpfung
der Stromverteilungsschaltung gemäß der 3 mit den
erfindungsgemäßen Schaltungen
nach 1 sind die Kathoden der LEDs am Minuspol der Versorgungsspannung
UV anschließbar und die Emitter bipolarer
Transistoren über
Widerstände
Rx2 am Source-Anschluss des Feldeffekttransistors (FET) angeschlossen,
dessen Drain an den Pluspol der Versorgungsspannung UV anschließbar ist.
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Der
elektronische Schalter FET, die Stromverteilungsschaltung SV und
die LED-Anordnung liegen zueinander in Serie. Grundsätzlich ist
der elektronische Schalter (FET) sowohl auf der Seite der LED-Anordnung
als auch auf der Seite der Stromverteilungsschaltung mit dem entsprechenden
Pol der Versorgungsspannung UV anschließbar. Bei
einer entsprechend angepassten Verschaltung kann auch ein p-Kanal
FET verwendet werden.
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Die
Funktionsweise der vorteilhaften Stromverteilungschaltung in einer
LED-Anordnung gemäß 2 und 3 ist
folgende:
Es werden den einzelnen LED-Ketten (Kette x) jeweils
eine Kombination eines Transistors Tx mit einem Widerstand Rx2 im
Emitterzweig zur Aufrechterhaltung einer vorgesehenen Stromaufteilung
auf die einzelnen LED-Ketten (Kette x) in Serie geschaltet. Dabei
bezeichnet x einen Laufindex von 1 bis zur Höchstzahl der LED-Ketten.
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Der
Widerstand Rx2 beeinflusst die Stromverteilung in den einzelnen
LED-Ketten. Dabei ist der Widerstandswert Rx2 umgekehrt proportional
zum dazugehörigen
Kollektorstrom.
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Eine
entsprechende Ansteuerschaltung beaufschlagt die Basisanschlüsse Bx der
Transistoren Tx mit einem vorbestimmten Strom. Je eine Ansteuerschaltung,
ein Bipolartransistor und ein Emitterwiderstand bilden eine Stromquelle,
die den Strom in dem jeweiligen Zweig bestimmt. Diese Stromquelle bildet
jeweils eine Regelungsanordnung (RAx).
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Zudem
sind alle Basisanschlüsse
Bx der Transistoren Tx auf das gleiche Potential gesetzt.
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Die
Beaufschlagung durch die Ansteuerschaltung erfolgt dadurch, dass
eine die Basisanschlüsse
Bx der Transistoren Tx mit einem vorbestimmten Strom beaufschlagende
Einrichtung, als Serienschaltung aus einer Diode Dx und einem elektrischen
Widerstand Rx1 bereitgestellt ist.
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Die
Dioden Dx und die Widerstände
Rx1 ermöglichen
die Bereitstellung einer für
die Funktion der elektrischen Regelungsanordnung notwendigen Stromversorgung
der jeweiligen Transi stor-Basis. Als Differenz zwischen der Versorgungsspannung,
der Durchlassspannung einer LED-Kette und der gemeinsamen Basisspannung
der Transistoren liegt an der Ansteuerschaltung eines Transistors
seine entsprechende Kollektor-Basis-Spannung an. Eine Veränderung
in der Durchlassspannung einer LED-Kette (z.B. durch Kurzschluss einer
LED) wird durch eine entsprechende Veränderung der zugehörigen Kollektor-Basis-Spannung
abgefangen, so dass sich der Kollektorstrom nicht bzw. nur sehr
gering ändert.
Dieser ist umgekehrt proportional zum dazugehörigen Emitterwiderstand RX2.
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Zudem
verhindern die Dioden Dx einen Stromfluß von einem LED-Zweig in einen anderen.
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Eine
vorteilhafte LED-Anordnung, umfasst
- – zwei oder
mehr parallel zueinander verschalteten LED-Ketten (Kette x), in
denen jeweils mindestens ein LED-Bauelement (2) angeordnet
ist, wobei bei zwei oder mehr LED-Bauelementen (2), diese
seriell miteinander verschaltet sind, wobei
- – die
Anodenseiten der LED-Ketten (Kette x) jeweils an den Pluspol der
Versorgungsspannung (UV) ankoppelbar sind,
und die Kathodenseiten jeweils mit einem Minuspol der Versorgungsspannung
(UV) ankoppelbar sind,
- – dadurch
gekennzeichnet, dass zu jeder LED-Kette (Kette x) jeweils eine Regelungsanordnung
(RAx) zur Regelung einer vorgesehenen Stromaufteilung auf die einzelnen
LED-Ketten in Serie geschaltet ist.
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Da
diese Ausführungsform
entweder auf npn-oder pnp-Transistoren beruht, sind folgende zwei
Varianten möglich:
Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die jeweilige Regelungsanordnung
(RAx) einen bipolaren Transistor (Tx) enthält, dessen Kollektoranschluss
(Cx) jeweils mit der Kathodenseite der zugehörigen LED-Kette verbunden ist
und dessen Emitteranschluß (Ex)
jeweils über
einen elektrischen Widerstand (Rx2) und über den elektronischen Schalter
mit dem Minuspol der Versorgungsspannung (UV)
verbindbar ist, wobei die Basisanschlüsse (Bx) der Transistoren (Tx)
zur Symmetrierung der Stromverteilung miteinander elektrisch leitend
verbunden sind, und wobei eine Ansteuerschaltung die Basisanschlüsse (Bx)
der Transistoren (Tx) mit einem vorbestimmten Strom beaufschlagt.
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Ebenso
vorteilhaft ist eine Schaltungsanordnung für eine LED Anordnung, wobei
die jeweilige Regelungsanordnung (RAx) einen bipolaren Transistor
(Tx) enthält,
dessen Kollektoranschluss (Cx) jeweils mit der Anodenseite der zugehörigen LED-Kette
verbunden ist und dessen Emitteranschluß (Ex) jeweils über einen
elektrischen Widerstand (Rx2) und über den elektronischen Schalter,
mit dem Pluspol der Versorgungsspannung (UV)
verbindbar ist, wobei die Basisanschlüsse (Bx) der Transistoren (Tx)
zur Symmetrierung der Stromverteilung miteinander elektrisch leitend
verbunden sind, und wobei eine Ansteuerschaltung die Basisanschlüsse (Bx)
der Transistoren (Tx) mit einem vorbestimmten Strom beaufschlagt.
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Die
Dioden Dx und die Widerstände
Rx1 ermöglichen
die Bereitstellung einer für
die Funktion der elektrischen Regelungsanordnung notwendigen Stromversorgung
der jeweiligen Transistor-Basis. Als Differenz zwischen der Versorgungsspannung,
der Durchlassspannung einer LED-Kette und der gemeinsamen Basisspannung
liegt an der Ansteuerschaltung die entsprechende Kollektor-Basis-Spannung
an. Eine Veränderung
in der Durchlassspannung einer LED-Kette (z.B. durch Kurzschluss
einer LED) wird durch eine entsprechende Veränderung der zugehörigen Kollektor-Basis-Spannung
abgefangen, so dass sich der Kollektorstrom und damit der entsprechende
Kettenstrom nicht bzw. nur sehr wenig ändert. Dieser ist umgekehrt
proportional zum dazugehörigen
Emitterwiderstand Rx2.
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Zudem
verhindern die Dioden Dx einen Stromfluß von einem LED-Zweig in einen anderen.
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Fällt in einer
LED-Kette eine LED durch Kurzschluss aus, so verringert sich die
Durchlassspannung der LED-Kette, die aber durch die dazugehörige Regelungsanordnung
kompensiert wird, indem sich die Kollektor-Basis-Spannung am zugehörigen Transistor
erhöht.
Da bei Veränderungen
in der Durchlassspannung einer LED-Kette über die elektrischen Widerstände Rx1
nur der Basisstrom der Transistoren Tx fließt (ca. Faktor 100..250 kleiner
als der Kollektorstrom), können
die Rx1 so dimensioniert werden, dass eine sehr kleine Veränderung
der Stromstärke
durch Rx1 (im Bereich < 1
mA) bereits eine große Änderung
der Spannung an dem Rx1 bewirkt, wodurch die unterschiedlichen Durchlassspannungen
in den einzelnen LED-Ketten ausgeglichen werden können. Die
Summe aus Durchlassspannung der LED-Kette und der Kollektor-Basisspannung
des dazugehörigen
Transistors entspricht der Differenz zwischen der Versorgungsspannung
und dem Basispotential der Transistoren, da auch alle Basisanschlüsse weiterhin
gleiches Potential aufweisen. Die jeweiligen Kollektorströme der LED-Ketten bleiben
damit ebenso annähernd
konstant.
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Es
lassen sich alle Durchlassspannungsänderungen (außer "open contact" bzw. Durchbrennen) der
LED-Ketten, einschließlich
Kurzschluss von LEDs, auf diese Weise handhaben. Die Versorgungsspannung ändert sich
nicht. Eine erfindungsgemäße Schal tungsanordnung
zur Überwachung
der LED-Anordnung braucht die LED-Anordnung damit nicht abschalten.
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Fällt in einer
LED-Kette eine LED aufgrund von Durchbrennen (Kontaktunterbrechung
bzw. "open contact") aus, so fließt durch
die defekte Kette kein Strom mehr. Die Spannung zwischen Kollektor und
Basis des zugehörigen
Transistors Tx bricht zusammen. An der Basis des Transistors der
defekten Kette muss nach wie vor das Potential anliegen wie an den
Basiseingängen
der restlichen Transistoren. Dies wird durch die gemeinsame elektrische
Verbindung der Transistorbasen erreicht, über die entsprechende Ausgleichsströme fließen können. Die
intakten LED-Ketten übernehmen
zunächst
die Ausgleichsströme.
Diese zusätzlichen
Teilströme
fließen dann über die
jeweiligen Dx und Rx1 und über
die gemeinsame elektrische Verbindung der Transistorbasen in die
Basis des nunmehr als Diode betriebenen Transistors der ausgefallenen
Kette und durch seinen Emitterwiderstand Rx2. Durch die Zusammenschaltung
aller Basiseingänge
auf gleichem Potential erhalten auch die verbleibenden intakten
Ketten den Strom weiterhin entsprechend der durch die Dimensionierung
der Emitter-Widerstände
Rx2 vorgegebenen Verteilung. Dabei sind die Emitter-Widerstandswerte
Rx2 umgekehrt proportional zum Emitterstrom, der sich als Summe
aus Basis-und Kollektorstrom ergibt.
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Allerdings
muss über
die Rx1 der noch "intakten" LED-Ketten zusätzlich ein
Strom geführt
werden, der ausreicht, um an dem Rx2 der weggeschalteten LED-Kette
die erforderliche Spannung aufrecht zu erhalten. Dieser Zusatzstrom über die
Rx1 der intakten LED-Ketten bewirkt eine erhöhte Gesamtspannung UV an der LED-Anordnung, so dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Überwachung der
LED-Anordnung die Spannung UR an dem Widerstand
R und damit die Spannung an der Zenerdiodenanordnung ebenso ansteigt.
Bei Erreichen der Durchlassspannung wird die Zenerdiodenanordnung leitend
und damit fließt
darüber
ein Strom. Es kommt folglich auch zu dem erhöhten Stromfluß durch
die Sicherung, insbesondere durch den Schmelzwiderstand Fu. Die
Sicherung bzw. der Schmelzwiderstand ist so dimensioniert, dass
sie nun anspricht bzw. er nun schmilzt. Daraufhin wird die LED-Anordnung
durch Öffnen
des elektronischen Schalters (z.B. eines selbstsperrenden n-Kanal-FETs
gemäß 1) von
der Spannungsversorgung getrennt.
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Die
erhöhte
Gesamtspannung an der LED-Anordnung bzw. das stromlos Schalten der LED-Anordnung
kann ebenfalls von einer nicht näher beschriebenen
Ansteuerung erkannt und entsprechend ausgewertet werden.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, wenn die Werte der Ansteuerwiderstände Rx1
in Serie zu den Dioden Dx im Bereich von 100 Ohm bis 1000 Ohm liegen,
da damit durch relativ kleine Ströme bereits hohe Ausgleichsspannungen
erzeugt werden können.
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Der
im Text durchgängig
gebrauchte Begriff „LED-Ketten" steht für „LED-Ketten", in denen jeweils mindestens
ein LED-Bauelement (2) angeordnet ist, wobei bei zwei oder
mehr LED-Bauelementen (2), diese seriell miteinander verschaltet
sind. Es sind damit auch „LED-Ketten" umfasst, die lediglich
ein LED-Bauelement
(2) aufweisen.
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Die
Beschreibung der Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht
als Beschränkung
der Erfindung auf diese zu verstehen.