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HINTERGRUND
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Eine Vielzahl von elektronischen Schaltungen werden verwendet, um Diodenlasten und zu betreiben und um insbesondere elektrischen Strom durch eine Kette von in Reihe geschalteten lichtemittierenden Dioden (LEDs) zu steuern, die in manchen Beispielen eine LED-Anzeige oder insbesondere eine Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeige, zum Beispiel eine Flüssigkeitskristallanzeige (LCD, engl.: liquid crystal display) bilden. Es ist bekannt, dass individuelle LEDs eine Verteilung bezüglich der Vorwärtsspannung von Einheit zu Einheit haben. Deshalb können die Ketten von in Reihe geschalteten LEDs eine Verteilung bezüglich der Vorwärtsspannung haben.
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Ketten von in Reihe geschalteten LEDs können mit einem gemeinsamen Schaltregler, z. B. einem Aufwärts-Schaltregler, an einem Ende der LED-Kette verbunden werden, wobei der Schaltregler ausgelegt ist, eine Spannung bereitzustellen, die hoch genug ist, um jede der Ketten von LEDs zu versorgen. Das andere Ende von jeder der Ketten von in Reihe geschalteten LEDs kann jeweils mit einer Stromsenke verbunden werden, die ausgelegt ist, einen relativ konstanten Strom durch jede der Ketten von in Reihe geschalteten LEDs einzulassen.
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Es wird verstanden werden, dass die Spannung, die von dem gemeinsamen Schaltregler erzeugt wird, hoch genug sein muss, um die eine in Reihe geschaltete Kette von LEDs, die die höchste Vorwärtsspannung hat, zu versorgen plus eine Zusatzspannung, die für einen korrekten Betrieb der jeweiligen Stromsenke benötigt wird. Wenn mit andern Worten vier in Reihe geschaltete Ketten von LEDs Vorwärtsspannungen von 30 Volt, 30 Volt, 30 Volt und 31 Volt haben und jede jeweilige Stromsenke wenigstens ein Volt benötigt, um zu funktionieren, dann muss der gemeinsame Vorwärts-Schaltregler wenigstens 32 Volt bereitstellen.
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Die
US 2010 / 0 019 693 A1 offenbart eine elektronische Vorrichtung zum Ansteuern einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung, die eine Steuereinrichtung umfasst, die zum Steuern einer Schaltstromversorgung zum Versorgen der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung in Reaktion auf einen von der Steuereinrichtung empfangenen Erfassungswert angepasst ist die eine Spannung über einer Stromquelle angibt, um einen Strom durch die lichtemittierende Halbleitervorrichtung zu bestimmen, wobei das Schaltnetzteil so gesteuert wird, dass die Spannung über der Stromquelle minimal ist.
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Die
US 2007 / 0 069 712 A1 offenbart eine Schaltung, die einen geringen Stromverbrauch hat und einen Strom an eine Last liefert. Die Treiberschaltung enthält einen Konstantstrom-Schaltungsabschnitt zum Erzeugen und Ausgeben eines vorbestimmten Konstantstroms, einen Stromspiegel-Schaltungsabschnitt zum Erzeugen eines Stroms proportional zu einem von dem Konstantstrom-Schaltungsabschnitt zugeführten Eingangsstrom und zum Zuführen des Stroms zu der Last und einen Konstantspannungsversorgungsschaltungsabschnitt, um eine konstante Spannung zu erzeugen und die konstante Spannung einer Reihenschaltung der Last und eines Ausgangstransistors der Stromspiegelschaltung zuzuführen. Der Konstantspannungsversorgungsschaltungsabschnitt erzeugt die Konstantspannung, so dass eine Ausgangsspannung des Stromspiegelschaltungsabschnitts gleich einer Eingangsspannung des Stromspiegelschaltungsabschnitts ist.
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Die
US 2010 / 0 060 177 A1 offenbart eine Lasttreibervorrichtung, die einen Laststrom-Einstellsignal-Erzeugungsabschnitt, einen Laststrom-Erzeugungsabschnitt, einen Referenzspannungs-Erzeugungsabschnitt und einen Treiberspannungs-Erzeugungsabschnitt aufweist. Der Laststrom-Einstellsignal-Erzeugungsabschnitt erzeugt ein gewünschtes Laststrom-Einstellsignal. Der Laststrom-Erzeugungsabschnitt erzeugt einen Laststrom basierend auf dem Laststrom-Einstellsignal, um die Last anzutreiben. Der Referenzspannungs-Erzeugungsabschnitt erzeugt eine Referenzspannung basierend auf dem Laststrom-Einstellsignal. Der Treiberspannungs-Erzeugungsabschnitt erzeugt eine Treiberspannung, führt die Treiberspannung der Last zu, erzeugt eine zwischen-beiden-Anschlüssen-Spannung zwischen beiden Anschlüssen des Laststrom-Erzeugungsabschnitts basierend auf der Treiberspannung und steuert die Treiberspannung so, dass die Differenz zwischen der zwischen-beiden-Anschlüssen-Spannung und der Referenzspannung klein wird.
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Der Stand der Technik betreffend herkömmliche Schaltungen zur Steuerung eines Schaltreglers weist zusammengefasst Verbesserungspotential auf.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Anwortschaltung zur Steuerung eines Schaltreglers vorzusehen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 erfüllt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dessen sind jeweiliger Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Hinsichtlich eines nicht beanspruchten Gesichtspunkts weist eine Schaltung einen Schaltregler, der ausgelegt ist, Energie einer Last zur Verfügung zu stellen, eine Stromregler-Schaltung, die mit der Last verbunden ist, und eine Antwortschaltung auf, die ausgelegt ist, ein Steuersignal dem Schaltregler zur Verfügung zu stellen in Reaktion auf elektrische Veränderungen der Stromreglerschaltung. Das Steuersignal verändert sich nicht-linear in Bezug auf die elektrischen Veränderungen an der Stromreglerschaltung.
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Der obige nicht beanspruchte Gesichtspunkt kann eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen. Die Antwortschaltung ist ausgelegt, eine nicht-lineare Erhöhung des Steuersignals bereitzustellen in Reaktion auf einen Spannungsabfall an der Stromregler-Schaltung. Die nicht-lineare Erhöhung des Steuersignals weist Erhöhen einer Stromausgabe der Antwortschaltung auf. Die nicht-lineare Erhöhung des Steuersignals hängt exponentiell ab von den elektrischen Veränderungen der Stromregler-Schaltung. Der Schaltregler ist ein DC-DC-Wandler. Die Antwortschaltung weist einen Verstärker auf. Der Verstärker empfängt eine erste Eingabe von einer Regelungsspannung-Schaltung und eine zweite Eingabe von der Stromregler-Schaltung. Der Verstärker ist ein nicht-linearer Verstärker. Der Verstärker ist ein linearer Verstärker. Die Schaltung weist ferner eine Stromerfassung-Schaltung auf, die ausgelegt ist zu bestimmen, ob ein Strom an der Stromregler-Schaltung einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel erreicht. Die Stromerfassung-Schaltung ermöglicht dem linearen Verstärker, eine Stromausgabe des linearen Verstärkers zu erhöhen, wenn ein Strom an der Stromregler-Schaltung den vorher festgesetzten Grenzwertpegel erreicht. Die Stromerfassung-Schaltung stellt zusätzlichen Strom bereit, wenn Strom an der Stromregler-Schaltung einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel erreicht. Die Schaltung weist ferner eine Stromerfassung-Schaltung auf, die ausgelegt ist zu bestimmen, ob eine Spannung an der Stromregler-Schaltung gesättigt ist. Die Stromerfassung-Schaltung veranlasst den linearen Verstärker, eine Stromausgabe des linearen Verstärkers zu erhöhen, wenn die Spannung an der Stromregler-Schaltung gesättigt ist. Die Stromerfassung-Schaltung stellt zusätzlichen Strom dem Schaltregler zur Verfügung, wenn die Spannung an der Stromregler-Schaltung gesättigt ist. Der Spannungsabfall an der Stromregler-Schaltung entspricht einer Spannung an der Stromregler-Schaltung, die unter einen vorher festgesetzten Grenzwert fällt. Der vorher festgesetzte Grenzwert hängt mit einer minimalen Betriebsspannung zusammen, die mit der Stromregler-Schaltung verbunden ist. Die Last weist eine oder mehrere lichtemittierenden Dioden (LEDs) auf.
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Hinsichtlich eines erfindungsgemäßen Gesichtspunkts weist eine Schaltung einen Schaltregler, der ausgelegt ist, Energie einer Last zur Verfügung zu stellen, eine Stromregler-Schaltung, die mit der Last verbunden ist, und eine adaptive Antwortschaltung auf. Die adaptive Antwortschaltung weist einen Verstärker auf, der ausgelegt ist, ein Steuersignal dem Schaltregler in Reaktion auf elektrische Veränderungen an dem Stromregler zur Verfügung zu stellen. Die adaptive Antwortschaltung weist einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang auf, der mit der Stromregler-Schaltung und einer adaptiven Regelungsspannung-Schaltung verbunden ist, welche ausgelegt ist, eine Regelungsspannung dem ersten Eingang des Verstärkers zur Verfügung zu stellen, um die Betriebsfähigkeit der Stromregler-Schaltung aufrecht zu erhalten. Die adaptive Regelungsspannung-Schaltung bildet elektrische Eigenschaften der Stromregler-Schaltung nach.
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Der vorherige erfindungsgemäße Gesichtspunkt kann eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen. Die adaptive Regelungsschaltung weist eine erste Stromquelle auf, welche eine zweite Stromquelle in der Stromregler-Schaltung widerspiegelt. Die erste Stromquelle in der adaptiven Regelungsschaltung stellt einen Strom zur Verfügung, der 1/N-mal ein Strom ist, der von der zweiten Stromquelle in der Stromregler-Schaltung zur Verfügung gestellt wird, wobei N ≥ 1. Die adaptive Regelungsschaltung weist ferner eine Spannungsquelle, die mit Masse verbunden ist, und einen ersten Widerstand auf, der zwischen die Spannungsquelle und die erste Stromquelle geschaltet ist. Die Stromregler-Schaltung weist einen zweiten Widerstand auf, der mit der zweiten Stromquelle verbunden ist, wobei der Widerstand des ersten Widerstands N-mal der Widerstand des zweiten Widerstands ist. Die erste Stromquelle ist mit dem ersten Wiederstand verbunden und die Regelungsspannung wird an einem Knoten zwischen dem ersten Widerstand und der ersten Stromquelle zur Verfügung gestellt. Die adaptive Regelungsschaltung weist ferner einen ersten Feldeffekttransistor (FET) auf, wobei eines von einem Drain oder einem Source mit dem ersten Widerstand verbunden sind und das andere von dem Drain oder Source mit der ersten Stromquelle verbunden ist und die Regelungsspannung an einem Knoten zwischen dem ersten FET und der zweiten Stromquelle zur Verfügung gestellt wird. Die Stromregler-Schaltung weist ferner einen zweiten FET auf und der erste FET und der zweite FET haben dieselben elektrischen Eigenschaften. Der erste FET ist ganz eingeschaltet.
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Figurenliste
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Die voranstehenden Eigenschaften der vorliegenden Offenbarung können besser von der folgenden ausführlichen Beschreibung der Zeichnungen verstanden werden, in denen:
- 1A ein Blockdiagramm einer nicht beanspruchten Schaltung um eine Last zu betreiben, ist;
- 1B ein Blockdiagramm eines Beispiels der Schaltung in 1A ist, die eine Kette von lichtemittierenden Dioden (LEDs) als die Last aufweist;
- 1C ein Blockdiagramm eines anderen Beispiels der Schaltung von 1A ist, das mehrere Ketten von LEDs als die Last aufweist;
- 2A ein Blockdiagramm eines nicht beanspruchten Beispiels einer nicht-linearen Antwortschaltung und eines Beispiels einer Stromregler-Schaltung ist;
- 2B ein Graph von Strom gegen Veränderung von Spannung für einen exponentiell invertierenden Transkonduktanz-Verstärkers ist;
- 2C ein Schaltdiagramm für ein Beispiel eines DC-DC-Wandlers ist;
- 3A ein Blockdiagramm von anderen nicht beanspruchten Beispielen der nicht-linearen Antwort- und der Stromregler-Schaltung ist;
- 3B ein Blockdiagramm eines weiteren nicht beanspruchten Beispiels der nicht-linearen Antwortschaltung ist;
- 4 ein Schaltdiagramm einer Stromsenkenschaltung ist;
- 5 ein Schaltdiagramm einer Stromerfassungsschaltung ist;
- 6A ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Schaltung zum Betreiben der Last ist;
- 6B ein Blockdiagramm einer adaptiven Antwortschaltung ist; und
- 7A und 7B Schaltdiagramme von Beispielen von adaptiven Regelungsspannungsschaltungen sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Vor der Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden einige einführende Konzepte und Terminologie erklärt. Der Begriff „Aufwärts-Schaltregler“ wird verwendet, um eine bekannte Art von Schaltregler zu beschreiben, die eine Ausgangsspannung höher als eine Eingangsspannung in den Aufwärts-Schaltregler zur Verfügung stellt. Obwohl hier eine bestimmte spezielle Schaltungstopologie eines Aufwärts-Schaltreglers gezeigt wird, sollte verstanden werden, dass Aufwärts-Schaltregler eine Vielzahl von Schaltungskonfigurationen haben. So wie er hier verwendet wird, wird der Begriff „Abwärts-Schaltregler“ verwendet, um eine bekannte Art von Schaltregler zu beschreiben, die eine Ausgangsspannung niedriger als eine Eingangsspannung in den Abwärts-Schaltregler zur Verfügung stellt. Es sollte verstanden werden, dass es noch andere Formen von Schaltreglern als einen Aufwärts-Schaltregler und als einen Abwärts-Schaltregler gibt und dass diese Erfindung nicht auf eine einzige Art beschränkt ist.
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DC-DC-Wandler werden hier beschrieben und die beschriebenen DC-DC-Wandler können jede beliebige Art von Schaltregler, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die oben beschriebenen Aufwärts- und Abwärts-Schaltregler sein.
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So wie der Begriff „Stromregler“ hier verwendet wird, wird er verwendet, um eine Schaltung oder eine Schaltungskomponente zu beschreiben, die einen Strom auf eine vorher festgesetzte, d.h. geregelte Stromstärke regeln kann, der durch die Schaltung oder Schaltungskomponente fließt. Ein Stromregler kann eine „Stromsenke“ sein, die einen geregelten Strom aufnehmen kann, oder eine „Stromquelle“, die einen geregelten Strom ausgeben kann. Ein Stromregler hat einen „Stromknoten“, an dem ein Strom in dem Fall einer Stromquelle ausgegeben wird oder an dem in dem Fall einer Stromsenke ein Strom aufgenommen wird.
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Beschrieben werden hier verschiedene Ausführungsformen, einschließlich von Schaltkreisen und Techniken, um einen Schaltregler zu steuern, der eine geregelte Ausgangsspannung einer Last bereitstellt, die wiederum von einer Stromregler-Schaltung gesteuert wird. In einer Gruppe von nicht beanspruchten Ausführungsformen sind die Schaltkreise ausgelegt, eine nicht-lineare Erhöhung eines Steuersignals, das dem Schaltregler zur Verfügung gestellt wird, in Reaktion auf eine Verringerung einer Spannung an einer Last zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise kann der Schaltregler schneller als auf andere Weise möglich auf eine Sprungantwort reagieren, die zu einem Abfall der geregelten Ausgangsspannung, die der Last zur Verfügung gestellt wird, führt. In einem Beispiel weisen die Schaltkreise einen nicht-linearen Verstärker auf, der ausgelegt ist, eine höher-alslineare Erhöhung des Steuersignal-Pegels in Reaktion auf eine Verringerung in der Stromregler-Spannung zur Verfügung zu stellen.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine adaptive Regelungsspannungsschaltung ausgelegt, eine ausreichende Spannung einem oder mehreren Stromreglern unabhängig von Temperatur, Verarbeitungseinschränkungen und andern elektrischen Einschränkungen zur Verfügung zu stellen, um die Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit der Stromregler-Schaltungen sicher zu stellen. Andere Ausführungsformen werden für den Fachmann im Lichte der Spezifikation offensichtlich sein.
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Bezug nehmend auf 1A weist eine Schaltung 10 eine elektronische Schaltung 20 (z. B. eine integrierte Schaltung (IC, engl.: integrated circuit)) auf, um eine Last 40 zu betreiben. Die Schaltung 10 weist auch einen Kondensator 44 auf, wobei ein Ende des Kondensators mit der Last 40 verbunden ist und das andere Ende des Kondensators mit Masse verbunden ist. In einem Beispiel fungiert der Kondensator 44 als ein Filter. Die elektronische Schaltung 20 weist einen DC-DC-Wandler 32 auf, der ausgelegt ist, eine Eingangsspannung, Vin, von einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) über eine Verbindung 52 zu empfangen und eine geregelte Ausgangsspannung, Vout, der Last 40 über eine Verbindung 54 in Reaktion auf ein Steuersignal 58 zur Verfügung zu stellen.
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Die elektronische Schaltung 20 weist auch eine Stromregler-Schaltung 34 auf, die mit der Last 40 durch eine Verbindung 56 verbunden ist. Die elektronische Schaltung 20 weist auch eine nicht-lineare Antwortschaltung 36 auf, die mit der Stromregler-Schaltung 34 durch eine Verbindung 55 verbunden ist und mit dem DC-DC-Wandler 32 durch eine Verbindung 58 verbunden ist.
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Die verschiedenen Verbindungen, die hier beschrieben werden, können hier synonym mit dem Signal, das von der jeweiligen Verbindung getragen wird, bezeichnet werden. Zum Beispiel kann Bezugsnummer 52 synonym verwendet werden, um die Verbindung mit dem DC-DC-Wandler 32 und die Eingangsspannung, Vin, die zu einer solchen Verbindung gehört, zu bezeichnen.
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In einem Beispiel stellt die nicht-lineare Antwortschaltung 36 ein Steuersignal 58 dem DC-DC-Wandler 32 in Reaktion auf elektrische Veränderungen an der Stromregler-Schaltung 34 zur Verfügung. Das Steuersignal 58 steuert die geregelte Spannung Vout, die an dem Ausgang des DC-DC-Wandlers 32 zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere verändert sich das Steuersignal 58 nicht-linear bezüglich der elektrischen Veränderungen an der Stromregler-Schaltung 34. In einem speziellen Beispiel erhöht sich das Steuersignal 58 nicht-linear (z. B. 2A, 2C, 2D), wenn eine Spannung an der Stromregler-Schaltung 34 fällt. In einem Beispiel ist die nicht-lineare Erhöhung eine exponentielle Erhöhung.
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In manchen Ausführungsformen kann die Stromregler-Schaltung 34, die als mit der Unterseite der Last 40 verbunden gezeigt wird, stattdessen an der Oberseite der Last sein. In diesen Ausführungsformen empfängt ein Reglereingangsknoten die geregelte Spannung, Vreg, und ein Reglerausgangsknoten ist mit der Last verbunden.
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Bezug nehmend auf
1B und
1C kann in manchen Beispielen die Last 40 eine oder mehrere Ketten von einer oder mehreren in Reihe verbundenen lichtemittierenden Dioden (LEDs) sein. Zum Beispiel weist in
1B eine Schaltung 10' eine Kette 140 von in Reihe verbundenen LEDs (z. B. eine LED 40a, eine LED 40b, ..., eine LED 40N) als die Last 40 auf. In einem anderen Beispiel weist in
1C eine Schaltung 10" eine Mehrzahl von Ketten (z. B. eine Kette 240a, ..., eine Kette 240N) auf, die jeweils eine Gruppe von in Reihe verbundenen LEDs haben (z. B. weist die Kette 240a eine LED 340a, eine LED 340b, ..., eine LED 340N auf und die Kette 240N weist eine LED 342a, eine LED 342b, ..., und eine LED 342N auf). In einem Beispiel ist jede der Ketten 240a-240N mit einer jeweiligen Stromregler-Schaltung 34a-34N verbunden und jede der Stromregler-Schaltungen 34a-34N ist mit einer nicht-linearen Antwortschaltung mit mehreren Eingängen 37 verbunden, die zum Beispiel einen Mehreingangsverstärker (nicht gezeigt) aufweist. Ein beispielhafter Mehreingangsverstärker findet sich in US-Patent-Anmeldungsnummer
2009/0128045 , veröffentlicht am 21. Mai 2009, mit dem Titel „ELECTRONIC CIRCUITS FOR DRIVING SERIES CONNECTED LIGHT EMITTING DIODE STRINGS“, welche hierin vollständig durch Verweis aufgenommen ist.
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In einem Beispiel können einer oder mehrere der Stromregler 34a-34N einer oder mehrere der hier beschriebenen Stromregler sein (z. B. eine Stromregler-Schaltung 34' (2A) und eine Stromregler-Schaltung 34" (3A)). Während 1B und 1C LEDs als Beispiele der Last 40 aufweisen, können andere elektrische Komponenten als die Last 40 verwendet werden.
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Bezug nehmend auf 2A kann in einem Beispiel die Stromregler-Schaltung 34 (1A, 1B) als eine Stromregler-Schaltung 34' ausgelegt sein und die nicht-lineare Antwortschaltung 36 (1A, 1B) kann als eine nicht-lineare Antwortschaltung 36' ausgelegt sein. Die Stromregler-Schaltung 34', hier in der Form einer Stromsenke, weist eine Stromsenke 108 auf, die ein Ende 108b mit Masse verbunden und das andere Ende 108a mit der Last 40 (1) durch die Verbindung 56 und mit der nicht-linearen Antwortschaltung 36 durch die Verbindung 55 verbunden hat. Die nicht-lineare Antwortschaltung 36' weist einen nicht-linearen Verstärker 110 (z. B. einen nicht-linearen Transkonduktanz-Verstärker) auf, der einen Eingang verbunden mit der Stromregler-Schaltung 34' durch die Verbindung 55 und einen zweiten Eingang verbunden mit einer Regelungsspannungsschaltung 112 hat, die eine Regelungsspannung, Vreg, dem Verstärker 110 zur Verfügung stellt, die so gewählt wird, dass sie die Funktion der Stromsenke sicherstellt. In einem veranschaulichenden Beispiel ist die Regelungsspannung, Vreg, in der Größenordnung von 650 mV.
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Der Ausgang des nicht-linearen Verstärkers 110 ist mit einem Kondensator 124 verbunden (manchmal als ein Kompensationskondensator bezeichnet). Der Kondensator 124 kann aus einem Ausgangskondensator des Verstärkers 110 parallel geschaltet mit einem Eingangskondensator eines Knoten 32b (siehe 2A) des DC-DC-Wandlers 32 bestehen. Allerdings kann in anderen Anordnungen der Kondensator 124 auch andere Kondensatoren aufweisen. Der Kondensator 124 kann einen Wert haben, der gewählt wird, um eine Rückkopplungssteuerschleife zu stabilisieren. In einem Beispiel hat der Kondensator 124 eine Kapazität in der Größenordnung von 10 Nanofarad (nF). In anderen Beispielen kann ein Widerstand (nicht gezeigt) in Reihe mit dem Kondensator 124 geschaltet hinzugefügt werden, um eine schnellere Rückkopplungsantwort zu ermöglichen.
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Der nicht-lineare Verstärker 110 hat einen variablen nicht-linearen Verstärkungsfaktor, so dass sein Ausgangsstrom sich auf eine nicht-lineare Weise in Reaktion auf eine Differenz oder Fehlerspannung zwischen seinen Eingängen ändert. In manchen Anordnungen ist der Verstärker 110 ein Transkonduktanz-Verstärker, der einen Spannungs-Strom-Ausgang zur Verfügung stellt. In diesen Anordnungen lädt oder entlädt die Ausgangsstufe des Verstärkers den Kondensator 124 gemäß den Eingangssignalpegeln und der Transferfunktion des Verstärkers 110, um dadurch das Steuersignal 58 entsprechend anzupassen.
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In einem Beispiel bringt der nicht-lineare Verstärker 110 eine exponentielle Funktion zur Anwendung, so dass ein Ausgangsstrom des Verstärkers mit Verringerungen und Erhöhungen in der Differenzspannung zwischen seinen Eingängen sich exponentiell erhöht bzw. verringert. Ein veranschaulichendes Beispiel einer nicht-linearen Übertragungsfunktion wird in 2B gezeigt.
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Wenn im Betrieb die Spannung an dem Stromregler-Knoten 108a unter die Regelungsspannung Vreg sinkt, erhöht sich der Verstärkerausgang in einer mehr als linearen Weise, so dass er im Wesentlichen solche Eingangsspannungsdifferenzen „überverstärkt“ und so den DC-DC-Wandler dazu veranlasst, schneller als anders möglich zu reagieren. Auf diese Weise stellt die nicht-lineare Übertragungsfunktion des Verstärkers 110 eine schnellere Antwort auf große Sprungantworten (z. B. eine Erhöhung in der Versorgungsspannung, Vin, die dem DC-DC-Wandler 32 zur Verfügung gestellt wird, oder eine erhebliche Lasterhöhung) als ein linearer Verstärker zur Verfügung. Wenn insbesondere eine Sprungantwort zum Beispiel in der Form einer erhöhten Last ein Absinken der geregelten Ausgangsspannung, Vout, verursacht, dann wird die Spannung an der Verbindung 55 sinken. In der Regel kann ein Stromregler 34 bis zu einer Spannung von ungefähr 650 mV herunter regeln; darunter kann die Last 40 nicht mit ausreichend Strom versorgt werden, was zu einem Dimmen oder gänzlichen Abschalten der LEDs führt. Wenn die Sprungantwort so groß ist, dass sie dazu führt, dass die Spannung an dem Stromregler unter 650 mV fällt, wie zum Beispiel auf einen Pegel von etwa 350 mV, würde der Verstärker 110 nur 300 mV zwischen seinen Eingängen messen, einen Fehler, der nicht genug wäre, um die Grenze des Ausgangsstroms des Verstärkers zu erreichen. Durch die Verwendung eines nicht-linearen Verstärker 110, der schnell seine Stromgrenze erreichen kann und deshalb ein nicht-linear variierendes Steuersignal dem DC-DC-Wandler 32 zur Verfügung stellt, kann der DC-DC-Wandler eine geregelte Ausgangsspannung Vout zur Verfügung stellen, die schnell genug steigen kann, um plötzlichen Spannungsabfällen Rechnung zu tragen.
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Bezug nehmend auf 2C ist ein Beispiel des DC-DC-Wandlers 32 (1A) ein DC-DC-Wandler 32'. Der DC-DC-Wandler 32' weist einen ersten Teil 114, der innerhalb der oben beschriebenen elektronischen Schaltung 20 sein kann, und einen zweiten Teil 116 auf, der extern, aber mit der Schaltung 20 verbunden sein kann.
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Der erste Teil 114 weist eine Pulsweitenmodulationssteuerung (PWM) 118 auf, die ausgelegt ist, das Steuersignal 58 von der nicht-linearen Antwortschaltung 36 von 1A zu empfangen. Die PWM-Steuerung 118 ist ausgelegt, ein PWM-Signal 120 zu erzeugen. Ein Element, das Steuerstrom durchlässt, zum Beispiel ein Feldeffekttransistor 122, ist so verbunden, dass es das PWM-Signal 120 an einem Gate-Knoten empfängt und ein gepulstes Stromsignal 123 an einem Drain-Knoten empfängt.
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Der zweite Teil 116 weist einen Eingangskondensator 126 auf, der zwischen der Eingangsspannung, Vin, die an dem Knoten 32c empfangen wird, und einer Masse verbunden ist. Eine Induktivität 128 weist einen Eingangsknoten 128a, der auch so verbunden ist, dass er die Eingangsspannung, Vin, empfängt, und einen Ausgangsknoten 128b auf, der mit dem Drain-Knoten des FET 122 verbunden ist. Eine Diode 130 weist eine Anode, die mit dem Ausgangsknoten 128 der Induktivität 128 verbunden ist, und eine Kathode auf, die mit dem Ausgangsknoten 32a des Wandlers verbunden ist, an dem die geregelte Ausgangsspannung, Vout, erzeugt wird. Ein Ausgangskondensator 134 ist zwischen dem Ausgangsknoten 32a und Masse verbunden. Der illustrierte Wandler 32' funktioniert in der Weise eines konventionellen PWM-Aufwärts-Schaltregler, um den Auslastungsgrad des Schalters 122 und so die geregelte Ausgangsspannung, Vout, in Reaktion auf ein steigendes Steuersignal 58 zu erhöhen. Es wird vom Fachmann verstanden werden, dass der PWM-Oszillator 118 und das Steuersignal 58 eine Auslastungssteuerung von Strom- oder Spannungsknoten zur Anwendung bringen können.
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Bezug nehmend auf 3A ist ein anderes Beispiel der Stromregler-Schaltung 34 (1A) eine Stromregler-Schaltung 34" und ein anderes Beispiel der nicht-linearen Antwortschaltung 36 (1A) ist eine nicht-lineare Antwortschaltung 36". Die Stromregler-Schaltung 34", hier wiederum in der Form einer Stromsenke, weist eine Stromsenke 214 auf, die einen Knoten 214b verbunden mit Masse und einen anderen Knoten 214a verbunden mit der Last durch die Verbindung 56 und mit der nicht-linearen Schaltung 36 durch die Verbindung 55 hat. Die nicht-lineare Antwortschaltung 36" weist einen linearen Verstärker 210 (manchmal ein „Boost-Fehlerverstärker“ genannt) auf, der einen Eingang verbunden mit der Stromregler-Schaltung 34' durch die Verbindung 55 und einen zweiten Eingang verbunden mit einer Regelungsspannungsschaltung 212 (ähnlich der Regelungsspannungsschaltung 112 von 2A) aufweist, die eine Regelungsspannung, Vreg, zur Verfügung stellt, die so gewählt ist, dass sie die Funktion der Stromsenke sicher stellt. Der Ausgang des nicht-linearen Verstärkers 210 ist mit dem DC-DC-Wandler 32 über die Verbindung 58 verbunden und ist mit einem Kondensator 224 (ähnlich Kondensator 124 in 2A) verbunden. Der Kondensator 224 kann einen Schleifenfilter zur Verfügung stellen und kann einen Wert haben, der gewählt ist, um eine Rückkopplungssteuerschleife zu stabilisieren. In einem Beispiel ist der Kondensator 224 in der Größenordnung von 10 nF. In anderen Beispielen kann ein Widerstand (nicht gezeigt) in Reihe geschaltet mit dem Kondensator 224 hinzugefügt werden, um eine schnellere Rückkopplungsantwort zu ermöglichen.
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Die nicht-lineare Antwortschaltung 36" weist auch eine Stromerfassungsschaltung 220 auf, die mit dem Kondensator 224 und dem DC-DC-Wandler 32 durch die Verbindung 58 verbunden ist. Die Stromerfassungsschaltung 220 ist direkt oder indirekt mit einem Knoten 214c der Stromsenke 214 durch eine Verbindung 254 verbunden. Die Stromerfassungsschaltung 220 bestimmt, ob der Strom durch die Stromsenke 214 auf einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel abfällt (z. B. anfängt abzufallen).
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In einem speziellen Beispiel bestimmt die Stromerfassungsschaltung, ob der Strom abfällt, indem sie feststellt, ob die Stromsenke gesättigt ist. Wenn die Stromerfassungsschaltung 220 feststellt, dass der Strom auf einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel abfällt, was eine Sättigung der Stromsenke oder einen anderen Strompegelzustand anzeigen kann, wird die Stromerfassungsschaltung 220 zusätzlichen Strom zum Beispiel dem Kompensationskondensator 224 bereitstellen, wobei sie ihre Spannung und den Steuersignal-Pegel 58 gleichzeitig erhöht.
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Bezug nehmend auf 3B ist ein anderes Beispiel der nicht-linearen Antwortschaltung 36 (1A) die nicht-lineare Antwortschaltung 36"'. Die nicht-lineare Antwortschaltung 36''' ist ähnlich der nicht-linearen Antwortschaltung 36" (3A) mit Ausnahme davon, dass eine Stromerfassungsschaltung 220' (ähnlich der Stromerfassungsschaltung 220) mit dem linearen Verstärker 210 verbunden ist, anstatt dass sie mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, wie es in der Ausführungsform von 3A gemacht ist. Wenn in dieser Anordnung die Stromerfassungsschaltung 220' feststellt, dass der Strom durch die Stromsenke 214 auf einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel gefallen ist, was eine Sättigung (oder gewisse andere Strompegelzustände) anzeigen kann, wird die Stromerfassungsschaltung 220' den linearen Verstärker 210 veranlassen, zusätzlichen Strom dem Verstärkerausgang zur Verfügung zu stellen, wobei dieser Strom die Spannung an dem Kompensationskondensator 224 und den Pegel des Steuersignals 58 entsprechend erhöht. Zum Beispiel veranlasst die Stromerfassungsschaltung 220' eine Ausgangsstufe des linearen Verstärkers 210, mehr Strom an dem Ausgang des linearen Verstärkers 210 einzuleiten.
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Bezug nehmend auf 4 ist ein Beispiel der Stromsenke 214 (3A) eine Stromsenke 214'. Die Stromsenke 214' weist einen FET 360 auf, der einen ersten Anschluss (z. B. einen Drain des FET 360) verbunden mit der Last 40 durch die Verbindung 56 und mit der nicht-linearen Antwortschaltung 36" (3A) durch die Verbindung 55 und einen zweiten Anschluss (z. B. ein Source des FET 360) verbunden mit Masse durch einen Widerstand 362 mit einem Wert Rx hat. Das Gate des FET 260 ist mit einem Ausgang eines Verstärkers 364 durch eine Verbindung 382 verbunden. Ein Eingang des Verstärkers 364 ist mit dem zweiten Anschluss (z. B. der Quelle) des FET 360 verbunden. Ein anderer Eingang des Verstärkers 364 ist mit einer Stromquelle 392 verbunden, die mit Masse über einen Widerstand 394 verbunden ist. Stromquelle 392 ist mit einer Versorgungsspannung, Vcc, verbunden.
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Die Stromsenke 214' ist ausgelegt, einen erwünschten Strom durch die jeweilige LED-Kette zu ziehen, um eine erwünschte Betriebsweise für die LEDs (d. h. eine erwünschte Lichtstärke) zu erreichen. Zu diesem Zweck stellt die Stromquelle 392 einen vom Benutzer bestimmten Strom gemäß den Spezifikationen speziell für die jeweilige LED-Last zur Verfügung. Der Verstärker 364 ist so angeordnet, dass der FET 360 leitet, um denselben Strom durch den FET 360 und den Widerstand 362 zu ziehen, wie von der Stromquelle 392 zur Verfügung gestellt wird. In dieser Konfiguration ist die Spannung an dem Knoten 396 dieselbe wie die Spannung an dem Knoten 398; folglich ist der Strom durch den Widerstand 394 derselbe wie der Strom durch Widerstand 362, wenn beide Widerstände denselben Wert haben. In andern Beispielen können die Widerstände skaliert werden, so dass der Ausgangswiderstand 362 kleiner als der Widerstand 394 ist und mehr Strom zieht. In einem speziellen Beispiel wird ein Skalierungsfaktor von 1000 verwendet, wobei 1 µA auf der Referenzseite 1 mA an Strom durch die LEDs produziert.
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In einem Beispiel hat die Stromquelle 392 einen Strom gleich Iuser, der ein Strom ist, welcher von einem Benutzer eingestellt wird. Spannung an dem Knoten 392 kann anderen parallelen Stromregler-Schaltungen (z. B. wie in 1C gezeigt) bereitgestellt werden, ohne die Notwendigkeit eines getrennten Stromreglers und Widerstands (392 und 394) in jeder Stromregler-Schaltung.
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Bezug nehmend auf 5 kann in einem Beispiel die Stromerfassungsschaltung 220 oder 220' (3A und 3B) Stromsättigung durch Messen der Spannung an einem Gate des FET 360 in der Stromsenke 214' feststellen. Insbesondere weist eine Stromerfassungsschaltung 220" einen Komparator 282 auf, der einen ersten Eingang verbunden mit dem Gate des FET 360 durch die Verbindung 254 und einen zweiten Eingang verbunden mit einer Spannung gleich einer Sättigungsspannung, Vsat, hat, die nahe einer Sättigungsspannung des Verstärkers 364 (4) sein kann.
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Bezug nehmend auf 6A und 6B, in denen gleiche Elemente gleiche Referenznummern haben, weist eine erfindungsgemäße elektronische Schaltung 22 eine adaptive Antwortschaltung 406 auf. Die adaptive Antwortschaltung 406 weist einen Verstärker 410 auf, der einen Eingang verbunden mit der Stromregler-Schaltung 34 durch die Verbindung 55 und einen zweiten Eingang verbunden mit einer adaptiven Regelungsspannungsschaltung 412 hat. Die adaptive Regelungsspannungsschaltung 412 ist ausgelegt, dem Verstärker 410 eine Regelungsspannung, Vreg, über eine Verbindung 420 zur Verfügung zu stellen.
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In der Regel ist wie zum Beispiel in 3A gezeigt eine Regelungsspannung eine feste Spannung, die gewählt wird, so dass sie im ungünstigsten Fall hinsichtlich Temperatur, Verarbeitungseinschränkungen und anderen elektrischen Einschränkungen garantiert, dass die Stromregler-Schaltung 34 (1A) mit ausreichend Spannung für korrekten Betrieb versorgt wird. Folglich ist diese Regelungsspannung tendenziell viel höher als unter normalen Betriebsbedingungen notwendig, was zu einem unnötig hohen Energieverbrauch führt. Im Gegensatz dazu stellt die adaptive Regelungsspannungsschaltung 412 eine Regelungsspannung 420 zur Verfügung, die auf Grundlage von tatsächlichen Betriebsbedingungen bestimmt wird, was dadurch zu einer Regelungsspannung, Vreg, führt, die niedriger ist als notwendig, um den ungünstigsten Fällen Rechnung zu tragen, aber hoch genug, um einen korrekten Betrieb des Stromreglers 34 sicher zu stellen. Insbesondere weist die adaptive Regelungsspannungsschaltung 412 Schaltkreise auf, die die Stromregler-Schaltung 34 „nachbilden“ oder kopieren und ausgelegt sind, einen Ausfallspannungspegel der Stromregler-Schaltung zu bestimmen, d. h. eine Spannung, bei der der Stromregler 34 aufhört, ordnungsgemäß zu funktionieren. Die adaptive Regelungsspannungsschaltung 412 stellt die Regelungsspannung 420 bei einem Pegel oberhalb des Ausfallspannungspegels zur Verfügung. Zum Beispiel können die Schaltkreise in der adaptiven Regelungsspannungsschaltung 412 eine herunterskalierte Version der Stromregler-Schaltung 34 sein, aber mit vergleichbaren physikalischen und elektrischen Eigenschaften. Wenn folglich Bedingungen (z. B. Temperatur) herrschen, die die Stromregler-Schaltung 34 beeinflussen und insbesondere ihre Ausfallspannung, wird die adaptive Regelungsschaltung 412 entsprechend die Regelungsspannung 420 anpassen, weil sie in der im Wesentlichen gleichen Weise beeinflusst wird.
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Bezug nehmend auf 7A ist ein Beispiel der adaptiven Regelungsspannungsschaltung 412 (6B) eine adaptive Regelungsspannungsschaltung 412'. Die adaptive Regelungsspannungsschaltung 412' weist eine Stromquelle 424 auf, die an einem Ende mit einer Spannungsversorgung, Vcc, verbunden ist, und an einem anderen Ende mit einem Widerstand 426 verbunden ist, der wiederum mit einer Spannungsquelle 428 verbunden ist. Die Stromquelle 424 ist ein Stromspiegelbild der Stromquelle 392 (4) der Stromsenkenschaltung 214'. Der Widerstand 426 ist eine skalierte Version der Widerstände 394 und 362 (4). Zum Beispiel ist der Widerstand gleich N*Rx, wobei N ≥ 1. In ähnlicher Weise ist die Stromquelle 424, obwohl sie ein Spiegelbild der Stromquelle 392 ist, skaliert, so dass der Strom, der zur Verfügung gestellt wird, gleich (1/N)*Iuser ist.
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Die Spannungsquelle 428 stellt einen Betrag an Ansteuerungsreserve dar, die notwendig ist, um einen korrekten Betrieb der Stromsenke 214' (4) zu ermöglichen. In dieser Konfiguration wird die Regelungsspannung 420 (siehe auch 6B) zwischen der Stromquelle 424 und dem Widerstand 426 zur Verfügung gestellt.
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Wenn in einem Beispiel ein ungünstigster Fall eine Regelungsspannung von 650 mV annimmt, kann die Spannungsquelle 428, die von der adaptiven Regelungsspannungsschaltung 412' zur Verfügung gestellt wird, auf zum Beispiel 350 mV bei Raumtemperatur reduziert werden. Es wird erkannt werden, dass die Spannung, die von der Spannungsquelle 428 zur Verfügung gestellt wird, in Bezug steht zu einer Spannungsreserve, die von der Stromquelle 214' benötigt wird (4). Wenn sich Spannungen innerhalb der Schaltung 412' zum Beispiel infolge der Temperatur ändern, wird die Regelungsspannung 428 sich in der im Wesentlichen selben Weise ändern. Ein reduzierter Energieverbrauch durch die Schaltung 412' ist die Folge.
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Bezug nehmend auf 7B ist ein anderes Beispiel der adaptiven Regelungsspannungsschaltung 412 (6B) eine adaptive Regelungsspannungsschaltung 412". Die adaptive Regelungsspannungsschaltung 412" weist eine Stromquelle 432 auf, die an einem Ende mit einer Spannungsversorgung Vcc verbunden ist und an dem anderen Ende mit einem ersten Anschluss (z. B. einem Drain) eines FET 434 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss (z. B. ein Source) des FET 434 ist mit einem Widerstand 436 verbunden und ein Gate des FET 434 ist mit der Spannungsversorgung Vcc verbunden. Der Widerstand 436 ist mit einer Spannungsquelle 438 verbunden. Die Stromquelle 432 ist ein Stromspiegelbild der Stromquelle 392 (4) der Stromregler-Schaltung 214'. Der Widerstand 436 ist eine skalierte Version der Widerstände 394 und 362 (4). Der Widerstand 436 ist eine skalierte Version der Widerstände 394 und 362. Zum Beispiel ist der Widerstand gleich N*Rx. In ähnlicher Weise ist die Stromquelle 432, obwohl sie ein Spiegelbild der Stromquelle 392 ist, skaliert, so dass der Strom, der zur Verfügung gestellt wird, gleich (1/N)*Iuser ist.
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Die Spannungsquelle 438 stellt einen Betrag einer Ansteuerungsreserve dar, die benötigt wird, um einen korrekten Betreib der Stromsenke 214' (4) zu ermöglichen. Der FET 434 ist elektrisch derselbe wie der FET 360 (4) und ist ganz angeschaltet. Die Regelungsspannung 420 wird zwischen der Stromquelle 432 und dem FET 434 zur Verfügung gestellt.
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In dieser elektrischen Konfiguration wird eine niedrigere Regelungsspannung als in Schaltung 412' für dieselbe Last 40 benötigt und der Dynamikbereich der Schaltung 412' wird erhöht, weil Schaltung 412" Veränderungen des FET 360 (z. B. aufgrund von Temperatur) Rechnung trägt. Wenn in einem speziellen Beispiel ein ungünstigster Fall eine Regelungsspannung von 650 mV annehmen würde, kann die Spannungsquelle 438, die durch die adaptive Regelungsspannungsschaltung 412" zur Verfügung gestellt wird, auf zum Beispiel 150 mV bei Raumtemperatur reduziert werden. Es wird erkannt werden, dass die Spannung, die von der Spannungsquelle 438 zur Verfügung gestellt wird, in Zusammenhang mit einer Spannungsreserve steht, die von der Stromsenke 214' (4) benötigt wird. Da sich Spannungen innerhalb der Schaltung 412" zum Beispiel aufgrund von Temperatur verändern, wird die Regelungsspannung 438 sich im Wesentlichen auf dieselbe Weise ändern. Ein reduzierter Energieverbrauch durch die Stromsenke 412" ist die Folge.
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Obwohl Widerstand 394 (4) so gezeigt wird, dass er einen Wert Rx, denselben wie der Widerstand 362, hat, kann in anderen Ausführungsformen der Widerstand 394 (und die Stromquelle 392) verschieden skaliert sein.
