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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für den Betrieb von Leuchtdioden und ein Verfahren zum Erreichen dieses Zwecks.
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Herkömmliche Leuchtdioden (LEDs) emittieren Licht innerhalb eines begrenzten Spektralbereichs. Beispiele hierfür sind die Spektren einer blauen, einer grünen, einer gelben und einer roten Leuchtdiode. Es sind Module bekannt, in denen Leuchtdioden mit verschiedenen Farben, z.B. blau und gelb (zwei LEDs) oder rot, grün und blau (RGB) in einer derartigen Weise kombiniert werden, dass ihr Licht zum Beispiel mit Hilfe eines Streuschirms gemischt wird und dass das gemischte Licht weiß erscheint, oder dass das Spektrum des sich daraus ergebenden Lichts sich über den gesamten sichtbaren Bereich erstreckt.
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Obwohl dieses Licht im Wesentlichen „weiß“ erscheint, gibt es Täler in dem Spektrum dieses emittierten Lichts. Diese Täler haben die nachteilige Wirkung, dass zum Beispiel Objekte mit Farben in dem Bereich dieser Lücken mit einem sehr matten Aussehen wiedergegeben werden. Die Qualität der Farbwiedergabe, die unter Verwendung des Farbwiedergabeindex oder der photometrischen Farbwiedergabeindexvariablen ausgedrückt wird, hängt folglich von diesen Lücken ab.
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Der Farbwiedergabeindex drückt aus, wie nahe die Farbwiedergabe einer künstlichen Beleuchtungseinrichtung an das breit verteilte kontinuierliche Spektrum von natürlichem Sonnenlicht kommt. Wie allgemein bekannt ist, kann dies nicht allein durch die Farbtemperatur ausgedrückt werden, weil die Farbtemperatur nicht angibt, ob es Lücken in dem Spektrum einer künstlichen Beleuchtungseinrichtung geben kann.
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Diese spektralen Lücken entstehen somit, wenn RGB-Leuchtdioden miteinander verbunden werden. Jedoch sind diese Täler auch zu finden, wenn sogenannte Weißlicht-Leuchtdioden verwendet werden. Dies sind Leuchtdioden, die mit Photolumineszenzmaterial (fluoreszengefärbtes Lumineszenzmaterial) kombiniert werden. Das Licht von dem LED-Chip in einem ersten Spektrum wird durch die dadurch gebildete Phosphorschicht oder Farbumwandlungsschicht teilweise in ein zweites Spektrum konvertiert. Die Mischung des ersten und zweiten Spektrums erzeugt dann das Spektrum von weißem Licht.
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Mit Hilfe einer Farbumwandlungsschicht kann kurzwelliges Licht, zum Beispiel blaues Licht, in langwelliges Licht, zum Beispiel im gelben oder roten Wellenlängenbereich umgewandelt werden.
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Jedoch gibt es zwischen dem tatsächlichen (z.B. blauen) Spektrum des Beleuchtungseinrichtungschips und dem zweiten (gelben oder roten) verschobenen Spektrum der Umwandlungsschicht auch herkömmlicherweise eine Lücke oder wenigstens ein spektrales Tal, so dass im Ergebnis die Qualität der Farbwiedergabe oder der Farbwiedergabeindex verringert ist.
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Druckschrift
WO 2007/ 141 741 A1 offenbart eine Schaltung zum Dimmen wenigstens einer LED unter Verwendung eines Schaltwandlers zum Versorgen der wenigstens einen LED mit elektrischer Leistung. Druckschrift
US 2008 / 0 224 625 A1 offenbart eine Schaltung zum Betreiben wenigstens einer LED unter Verwendung eines Schaltwandlers zum Versorgen der wenigstens einen LED mit elektrischer Leistung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Steuerschaltung und Steuerverfahren zum Betreiben von Leuchtdioden bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung und einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise weiter.
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Die Erfindung wird hier nachstehend mit der Hilfe der beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei:
- 1 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 Signalkurven für eine kontinuierliche Leitungsbetriebsart eines Schaltreglers zeigt;
- 3 Signalkurven für eine kritische (Grenz-) Leitungsbetriebsart eines Schaltreglers zeigt;
- 4 Signalkurven für eine diskontinuierliche Leitungsbetriebsart eines Schaltreglers zeigt;
- 5 eine Schaltleistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC) zeigt, und
- 6 einen Abwärtswandler zeigt, der als eine Stromquelle einer oder mehrerer LEDs verwendet wird.
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1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 130 zum Steuern der Leuchtdiode 34 gemäß der Erfindung. Die Schaltungsanordnung 130 hat einen Schaltwandler, der durch die Drossel L1, den Kondensator C1, die Freilaufdiode D1, den Schalter S1 und die Leuchtdioden 34 gebildet wird.
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Der Schalter S1 wird von einer Steuerschaltungsanordnung, wie etwa einem IC (Mikrocontroller, ASIC, Hybrid davon, etc.) gesteuert.
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In diesem Beispiel ist der Schaltwandler als ein Abwärtswandler ausgebildet, jedoch können andere Topologien, wie etwa ein Aufwärtswandler (siehe 5), ein Sperrwandler, eine PFC oder sogar ein Aufwärts-Abwärtswandler auch verwendet werden. Mehrere Widerstände („Shunts“ bzw. Messwiderstände) sind bereitgestellt, um die Ströme und Spannungen in dem Schaltwandler und an den Leuchtdioden 34 zu überwachen. Der Widerstand Rs dient somit dazu, den Strom durch den Schalter S1 während der Einschaltzeitspanne des Schalters S1 zu überwachen, wobei der Strom durch die Spannung US an dem Messwiderstand RS dargestellt wird.
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Der Strom iF fließt durch die Last, d.h. die LEDs.
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Der Strom IL fließt durch die Drossel L1.
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Die Spannungsteiler R3/R4 und R1/R2 dienen dazu, die Spannung ULED an den Leuchtdioden 34 zu überwachen. Jedoch können die Leuchtdioden 34 in einer alternativen Ausführungsform auch in Reihe mit der Drossel L1 geschaltet werden. Der Schalter S1 des Schaltwandlers wird von der Steuerschaltung IC gesteuert. Die Steuerschaltung IC kann extern und/oder intern mit gewünschten Werten versorgt werden, welche den zeitlich gemittelten gewünschten Strom durch die Leuchtdioden spezifizieren. Außerdem können von der Versorgungsspannung, dem Schaltregler und/oder der Lastschaltung, die eine oder mehrere LEDs aufweist, interne Rückkopplungssignale an die Steuerschaltung IC geliefert werden.
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Die Steuerschaltung IC kann mit einem Farbort-Korrekturbefehl als einem externen erwünschten Wert versorgt werden. Dieser Farbort-Korrekturbefehl kann selektiv die Amplitudenspreizung auslösen und möglicherweise auch das Ausmaß der Amplitudenspreizung spezifizieren. Der Farbort-Korrekturbefehl spezifiziert daher eine Anpassung des Spektrums.
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Die Schaltungsanordnung 130 ist eine vorteilhafte Ausführungsform, um die Steuerung der Leuchtdioden 34 gemäß der Erfindung mit den kleinst möglichen Verlusten zu erreichen.
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Während des Betriebs der Leuchtdioden 34 mit fast konstanter Amplitude ist es wenigstens für eine gewisse Zeitdauer der Zeitspanne T möglich, zu bewirken, dass die Schaltungsanordnung 130 in der sogenannten kontinuierlichen Leitungsbetriebsart betrieben wird. Die Schaltungsanordnung 130 wird in einer derartigen Weise gesteuert, dass der Strom iL durch die Drossel L1 niemals auf null fällt, sondern einen Wert aufrecht erhält, der im Mittel konstant ist (dies wird als die kontinuierliche Leitungsbetriebsart bezeichnet, da niemals zugelassen wird, dass der Strom iL auf null fällt). Um einen derartigen Betrieb zu erreichen, wird die Drossel L1 in einer ersten Phase magnetisiert, indem der Schalter S1 eingeschaltet wird. Der Strom iL durch die Drossel L1 kann in dieser Phase mit Hilfe des Widerstands Rs überwacht werden. Wenn ein gewisser Stromwert (oberer Grenzwert) erreicht ist, wird der Schalter S1 geöffnet. Dank der Magnetisierung der Drossel L1 wird der Strom iL nun durch die Freilaufdiode D1 und die Leuchtdioden 34 angetrieben. Der Strom iL durch die Drossel L1 fällt folglich langsam ab. Dank des Stromflusses durch die Freilaufdiode D1 und die Leuchtdioden 34 wird der Kondensator C1 auch geladen. Die Verringerung in der Entmagnetisierung und in dem Strom iL durch die Drossel L1 kann durch die zwei Spannungsteiler R3/R4 und R1/R2 überwacht werden. Wenn der Strom iL einen gewissen unteren Grenzwert erreicht, wird der Schalter S1 eingeschaltet, und die Drossel L1 wird magnetisiert. Während die Freilaufdiode D1 nun den Stromfluss sperrt, wird der Kondensator C1 über die Leuchtdioden 34 entladen. Die Schaltungsanordnung 130 wird somit in dem Hochfrequenzbereich betrieben.
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Die Schaltungsanordnung 130 kann auch in der sogenannten Grenz- (oder kritischen) Betriebsart betrieben werden, in welcher zugelassen wird, dass der Strom auf null fällt, aber dazu gebracht wird, sofort bei Erreichen des Nullwerts wieder anzusteigen. Der Betrieb in der Grenzbetriebsart erzeugt einen Betriebsstrom 100 gemäß 3. Die Drossel L1 wird beginnend bei der vollständigen Entmagnetisierung magnetisiert, indem der Schalter S1 geschlossen wird, bis der Maximalwert ΔI erreicht wurde. Der Schalter S1 wird nun geöffnet und die Drossel L1 entmagnetisiert, was zu einem Abfall in dem Betriebsstrom führt. Mit Hilfe einer Messung an den zwei Spannungsteilern R3/R4 und R1/R2 oder wenigstens an dem Spannungsteiler R1/R2 kann die Zeit, zu welcher der Nullpunkt des Betriebsstroms erreicht wird, bestimmt werden. Sobald Mit Hilfe einer direkten oder indirekten Messvariablen erfasst wird (oder abgeleitet werden kann), dass der Nullpunkt des Strom iL erreicht ist, kann der Schalter S1 geschlossen werden, und die Drossel L1 kann wieder magnetisiert werden.
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Die Schaltungsanordnung 130 kann zum Beispiel auch in einer Betriebsart gemäß 2 betrieben werden. Die Drossel L1 wird beginnend von der vollständigen Entmagnetisierung magnetisiert, indem der Schalter S1 geschlossen wird, bis der Maximalwert ΔI erreicht wurde. Der Schalter S1 wird nun geöffnet und die Drossel L1 wird entmagnetisiert, aber nur bis ein intern festgelegter unterer Grenzwert gleich unter dem Maximalwert ΔI erreicht wird. Wenn dieser Wert erreicht wurde, wird der Schalter S1 eingeschaltet, so dass eine Hysteresesteuerung erreicht wird. Die Schaltungsanordnung 130 wird nun in einer sogenannten kontinuierlichen Leitungsbetriebsart CCM betrieben, bis die Zeitdauer Tnom vergangen ist. Nun ist der Schalter S1 während der Zeitdauer tf permanent offen und die Drossel L1 wird entmagnetisiert, was zu einem Abfallen in dem Drosselstrom iL führt. Mit Hilfe einer Messung an den zwei Spannungsteilern R3/R4 und R1/R2 oder wenigstens an dem Spannungsteiler R1/R2 kann die Zeit, zu welcher der Nullpunkt des Drosselstroms iL erreicht wird, bestimmt werden. Sobald der Nullpunkt des Betriebsstroms erfasst wurde oder die Zeitdauer taus vergangen ist, kann der Schalter S1 geschlossen werden und die Drossel L1 kann magnetisiert werden. In dieser Betriebsart hat der Schalter S1 zwei verschiedene Schaltfrequenzen, während der Zeit Tnom wird er mit einer im Vergleich zu den Zeitspannen Tr, Tf und Taus höheren Taktfrequenz gesteuert.
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Somit kann durch Zuführen eines externen Signals, wie etwa zum Beispiel eines Farbort-Korrekturbefehls, die Betriebsart der Schaltungsanordnung 130 und daher des Schaltwandlers ausgewählt und angepasst werden. Zum Beispiel kann der Betrieb in der sogenannten kontinuierlichen Leitungsbetriebsart, in der sogenannten Grenz- oder kritischen Betriebsart oder der diskontinuierlichen Betriebsart (in welcher der Strom eine längere Zeitspanne als null auf null bleibt) oder sogar einer Kombination der drei Betriebsart ausgewählt werden.
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Es wird nun erklärt, wie gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Schaltwandler (Abwärtswandler, Aufwärtswandler, PFC-Wandler, Sperrwandler, etc.) selektiv in wenigstens zwei verschiedenen Betriebsarten arbeitet, wobei diese verschiedenen Betriebsarten z.B. verschiedene Dimmbetriebsarten sein können.
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Die wenigstens zwei verschiedenen Betriebsarten können z.B. ausgewählt werden aus:
- - der kontinuierlichen Leitungsbetriebsart,
- - der Grenzbetriebsart, und
- - der diskontinuierlichen Leitungsbetriebsart.
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Die verschiedenen Dimmbetriebsarten können z.B. derart verwendet werden, dass sie einen ersten Dimmbereich bis zu einem definierten Schwellwert und einen zweiten Dimmbereich haben, in dem der Schaltwandler in einer anderen Betriebsart als in dem ersten Dimmbereich ist. Wahlweise kann auch ein dritter Dimmbereich bereitgestellt werden, in dem der Schaltwandler in einer dritten Betriebsart (die sich sowohl von der ersten als auch der zweiten Betriebsart unterscheidet) betrieben wird.
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2 zeigt andere Signalkurven, wenn ein Schaltwandler in der sogenannten kontinuierlichen Leitungsbetriebsart CCM betrieben wird.
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Wenn eine Steuerschaltungsanordnung in der kontinuierlichen Leitungsbetriebsart, wie in 2 zu sehen, den Schalter S1 einschaltet, was aus dem abgebildeten Gatesignal in 2 zu erkennen ist, steigen sowohl der Strom durch die Diode IF als auch der Strom durch die Magnetisierungsdrossel L1 an. Auch die Spannung Us an dem Messwiderstand Rs steigt im Wesentlichen linear an, was den zunehmenden Strom durch den Schalter S1 darstellt.
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Sobald z.B. der Strom durch die Drossel iL oder der Strom durch den Schalter einen oberen Schwellwert erreicht, schaltet die Steuerschaltungsanordnung den Schalter S1 aus. Nach diesem Ausschalten an der Spitze des Drosselstroms iL wird die Drossel L1 linear entmagnetisiert, was an dem linear fallenden Drosselstrom iL zu erkennen ist. Sobald der Drosselstrom einen unteren Schwellwert erreicht, wobei der untere Schwellwert größer als null ist, wird der Schalter S1 wieder eingeschaltet, was zu dem gezeigten Hysteresesteuerungsverhalten von 2 führt.
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Beachten Sie, dass der Strom durch die Last (LEDs) nicht exakt dem Drosselstrom iL folgt, da der Speicherkondensator C1 eine Filterwirkung hat.
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Die an die LED-Last zugeführte Leistung ist eine Funktion des zeitlichen Mittelwerts des Drosselstroms. Offensichtlich kann durch Vergrößern der Zeitspanne taus, während welcher der Schalter in dem nicht leitenden Zustand ist, der Mittelwert des Drosselstroms iL verringert werden, was zu einem Herunterdimmen (verringerte Leistung) der LED-Last führt.
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3 zeigt die sogenannte Grenz- oder kritische Leitungsbetriebsart, in welcher die nicht leitende Zeitspanne des Schalters S1, die Zeitspanne taus, ebenso wie die Einschaltzeitspanne tein verlängert wurden, so dass zugelassen wird, dass der Strom iL während der nichtleitenden Zeitspanne taus auf null fällt, wobei der Schalter S 1 durch die Steuerschaltungsanordnung eingeschaltet wird (in den leitenden Zustand versetzt wird), sobald er den Nullwert erreicht hat.
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4 stellt die bereits erwähnte dritte Betriebsart für einen Schaltwandler, die sogenannte diskontinuierliche Leitungsbetriebsart, dar. Im Vergleich zu 3 wird wieder zugelassen, dass der Drosselstrom iL auf null fällt. Jedoch wird der Schalter S1 nicht sofort eingeschaltet, nachdem der Drosselstrom iL den Nullwert erreicht. Vielmehr wird die nicht leitende Zeitspanne taus verlängert, so dass es eine Zeitspanne ungleich null gibt, während welcher der Drosselstrom iL auf null bleibt. In dieser Betriebsart kann ein Dimmen erreicht werden, indem z.B. der taus-Wert und somit die Zeitspanne, in welcher der Drosselstrom iL nun null ist, verlängert wird.
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5 zeigt eine aktiv geschaltete Leistungsfaktorkorrekturschaltung PFC, die gemäß der Erfindung selektiv in wenigstens zwei Betriebsarten arbeiten kann, wenn die jeweilige Wellenform des Drosselstroms iL darauf angesetzt wird.
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Die Leistungsschaltungsanordnung ist als ein Mikrocontroller µc abgebildet, wenngleich z.B. auch ein ASIC oder eine Hybridversion eines Mikrocontrollers und eines ASIC verwendet werden können.
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Interne Rückkopplungssignale von der Schaltsteuerung können an die Steuerschaltungsanordnung zurück geführt werden. Typische Beispiele sind die abgetastete Eingangsspannung des Schaltwandlers, ein Nulldurchgangserfassungssignal zum Erfassen des Nulldurchgangs des Drosselstroms iL, ein Signal, das den Strom durch den Schalter S1 angibt, und außerdem Rückkopplungssignale von der Last, wie etwa z.B. die Beleuchtungseinrichtungs- (LED-) Spannung, der Beleuchtungseinrichtungs- (LED-) Strom und die Lastcharakteristik, d.h. ein Signal, das z.B. die Anzahl und die Topologie mehrerer angeschlossener LEDs angibt, die als eine Last angetrieben werden.
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Auch können externe Steuersignale, wie etwa z.B. Dimmsignale in die Steuerschaltungsanordnung eingespeist werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Steuerschaltungsanordnung für einen Beleuchtungseinrichtungs-Schaltwandler, wie in 5 oder 6 gezeigt, selektiv in verschiedenen Betriebsarten, d.h. der kontinuierlichen Leitungsbetriebsart von 2, der Grenz- (kritischen) Leitungsbetriebsart von 3 oder der diskontinuierlichen Leitungsbetriebsart von 4, arbeiten.
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Die Steuerschaltungsanordnung wird gemäß beliebigen der internen und/oder externen Rückkopplungssignale, für welche vorstehend Beispiele gegeben sind, die am besten passende Betriebsart auswählen.
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6 zeigt einen Abwärtswandler, der als eine Stromquelle einer oder mehrerer LEDs verwendet wird, die als eine Last angetrieben werden. Wieder können verschiedene interne Rückkopplungssignale (z.B. Eingangs- oder Versorgungsspannung, Nulldurchgangserfassung, Schaltstrom, Lastcharakteristik, Parameter, die den Leistungsverbrauch darstellen) und externe Signale (z.B. externe Dimmsteuersignale) in die abgebildete Steuerschaltungsanordnung eingespeist werden.
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Die adaptive Festlegung der Betriebsart des Beleuchtungseinrichtungs-Schaltwandlers gemäß der Erfindung hat mehrere Vorteile, die nun erklärt werden.
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Ein Vorteil ist, dass ohne Änderung der Abmessungen der Hardwareelemente, wie etwa zum Beispiel der Drossel L1 und des Speicherkondensators C1, variierende Lasten, wie etwa für verschiedene Topologien oder verschiedene Anzahlen angetriebener LEDs durch den Beleuchtungseinrichtungs-Schaltwandler betrieben werden können, indem alle vernünftige Schaltzeiten und Frequenzen für den Drosselstrom iL und somit den LED-Strom iF haben.
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Nur als ein veranschaulichendes Beispiel kann in der kontinuierlichen Leitungsbetriebsart (CCM) für einen LED-Strom iF von bis zu 500 mA (Mittelwert) eine Drossel L1 mit einem maximal zulässigen Strom von 0,55 A verwendet werden, wobei die tein-Zeitspanne für den Schalter S1 in erster Linie von der Amplitude (Effektivwert) der Versorgungsspannung Vein und der Spannung an den LEDs ULED abhängt. Wenn erwünscht (z.B. über einen externen oder internen Dimmbefehl angegeben) ist, den Mittelwert des LED-Stroms iF zu verringern, muss die tein-Zeitspanne verringert werden, insbesondere wenn auch ULED klein ist. Diese Verringerung der Tein-Zeitspanne für den Schalter S1 wird somit zu sehr hohen Schaltfrequenzen führen. Schließlich wird zugelassen, dass der Drosselstrom IL auf null fällt, was einer Dimmung der LEDs entspricht, in der die zeitlich gemittelte Basis des LED-Stroms IF nur 50% des zulässigen maximalen LED-Stroms iF ist. Folglich führt dieses veranschaulichende Beispiel für den Dimmwert von 50% zu einer Änderung der vorhergehenden kontinuierlichen Leitungsbetriebsart zu der Grenzbetriebsart.
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Wenn gemäß der Erfindung die Rückkopplungssignale oder die externen Signale (Dimmsignale) eine weitere Dimmung erfordern, die z.B. unter den 50%-Wert geht, wird der Schaltwandler gemäß der Erfindung von der Grenzleitungsbetriebsart auf die in 4 abgebildete diskontinuierliche Leitungsbetriebsart umschalten. Um die an die LEDs gelieferte Leistung weiter zu verringern, wird die taus-Zeitspanne weiter vergrößert, um den mittleren LED-Strom iF weiter zu verringern, und dies alles, indem die tein-Zeitspanne z.B. mit der Taktung der Steuerschaltungsanordnung nicht zu klein, d.h. unter einem gewissen unteren Schwellwert, der den minimal möglichen Wert darstellt, gemacht wird.
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Somit wird die Steuerschaltungsanordnung gemäß der Erfindung eine Betriebsart für den Beleuchtungseinrichtungs-Schaltwandler verwenden, die von der Last, den Stromanforderungen der Last etc. abhängt, um eine flexible Verwendung der gleichen Hardware für verschiedene Szenarien und für einen großen Dimmbereich zu haben.
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Wie in 5 erklärt, kann der Schaltwandler eine Schalt-PFC sein, die als eine erste Wandlerstufe von wenigstens zwei Wandlerstufen typischerweise aus einer gleichgerichteten Wechselspannung, wie etwa z.B. der Netzspannung, eine Gleichspannung erzeugt. Als zweite Wandlerstufe kann eine Gleichstrom-Gleichstrom- oder Gleichstrom-Wechselstrom- (z.B. Halbbrücken- oder Vollbrückenwandler-) Stufe bereitgestellt werden, welche die Beleuchtungseinrichtung versorgt und wahlweise auch abhängig von dem externen Signal und/oder dem internen Rückkopplungssignal selektiv in verschiedenen Betriebsarten arbeitet.
