DE112012002045T5

DE112012002045T5 - Treiberschaltung für Festkörperlichtquellenlampe mit reduziertem Formfaktor

Info

Publication number: DE112012002045T5
Application number: DE112012002045.6T
Authority: DE
Inventors: Arunava Dutta; Voravit Puvanakijjakorn; Sean Lei
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Ledvance LLC
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2014-02-06
Also published as: DE202012013599U1; CN103621179B; US20120286663A1; US8674605B2; WO2012154380A1; CN103621179A

Abstract

Es sind eine Festkörperlichtquellentreiberschaltung, ein System und ein Verfahren bereitgestellt. Die Treiberschaltung enthält eine Gleichrichterschaltung, ein damit gekoppeltes Energiespeicherelement, eine damit gekoppelte Stromableitschaltung und einen Schalter. Die Gleichrichterschaltung empfängt einen AC-Eingang und stellt eine unregulierte Gleichspannung bereit. Der Schalter schließt sich, um einen Teil der unregulierten Gleichspannung an das Energiespeicherelement zu koppeln, und öffnet sich, um Energie zur Ansteuerung der Lichtquelle zu übertragen. Eine Leistungsfaktorreglerschaltung stellt ein Ausgangssignal bereit, um den Schalter anzusteuern. Die Stromableitschaltung stellt der Leistungsfaktorreglerschaltung eine Versorgungsspannung innerhalb eines Bereichs bereit und erhält einen mit dem AC-Eingang assoziierten Stromfluss, der eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, aufrecht. Eine Konstant-Aus-Zeitregelschaltung stellt der Leistungsfaktorreglerschaltung ein Schaltfrequenzsteuersignal bereit. Ein EMI-Filter reduziert die erzeugten EMI-Störungen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Serien-Nr. 61/485,430, eingereicht am 12. Mai 2011, deren gesamter Inhalt hier durch Verweis einbezogen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Beleuchtung und insbesondere Treiberschaltungen für Festkörperlichtquellenlampen.
HINTERGRUND
Die Entwicklung von Festkörperlichtquellen mit hoher Helligkeit, wie zum Beispiel unter anderem Leuchtdioden (LEDs) und dergleichen, hat zur Verwendung derartiger Einrichtungen in verschiedenen Beleuchtungskörpern geführt. Allgemein wird eine Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis auf eine grundsätzlich andere Art als eine Glühlampe oder Gasentladungslampe betrieben und ist deswegen möglicherweise nicht mit bestehenden Beleuchtungskörpern, die für diese Lampenarten ausgebildet sind, verbindbar. Um eine Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis als Nachrüstung für bestehende Beleuchtungskörper verwenden zu können, kann jedoch eine Treiberschaltung verwendet werden.
Der Treiberschaltkreis für eine Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis wandelt allgemein einen Wechselstromeingang (AC-Eingang), wie zum Beispiel einen 120 V/60 Hz-Leitungseingang oder Eingang aus einer Dimmerschaltung, in eine stabile Gleichstromspannung (DC-Spannung) um, die zur Ansteuerung der Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis verwendet wird. Derartige Schaltkreise können einen Gleichrichter zum Empfang des AC-Eingangs und einen Gleichspannungswandler beinhalten. Der Gleichspannungswandler kann vom Gleichrichter einen unregulierten DC-Ausgang erhalten und der Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis einen stabilen, regulierten DC-Ausgang bereitstellen.
KURZE DARSTELLUNG
Herkömmliche Techniken für Treiberschaltkreise, mit denen eine Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis als Nachrüstung für bestehende Beleuchtungskörper verwendet werden kann, sind mit einer Reihe von Problemen behaftet. Eines davon hängt mit der Fähigkeit zusammen, den benötigten Treiberschaltkreis in den zur Verfügung stehenden begrenzten Raum innerhalb des Formfaktors des bestehenden Körpers einsetzen zu können. Bestehende Beleuchtungskörper folgen allgemein einer Reihe von Standards bezüglich Lampengröße, Sockelgröße, Befestigungsverfahren usw. Einige Beleuchtungskörper, zum Beispiel Kronleuchterbirnen vom B10- und B11-Typ sowie andere Typen von dekorativen Lampen, stellen einen relativ kleinen Formfaktor bereit, in den der Treiberschaltkreis hineinpassen muss. Es kann sich als schwierig erweisen, eine Treiberschaltung in diesen Raum einzusetzen und gleichzeitig andere Design-Einschränkungen, wie ein hoher Leistungsfaktor, niedriger Gesamtklirrfaktor und niedrige elektromagnetische Interferenz, zu erfüllen.
Eine Reihe von Gleichspannungswandlerkonfigurationen sind gut bekannt. Bestimmte Typen von bekannten Gleichspannungswandlerkonfigurationen, wie zum Beispiel Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller, Hoch-Tiefsetzsteller usw. werden allgemein als Schaltregler eingerichtet. Diese Einrichtungen enthalten einen Schalter, zum Beispiel einen Transistor, der gezielt betrieben wird, damit Energie in einer Energiespeichereinrichtung, zum Beispiel einem Induktor, gespeichert werden kann und dann an einen oder mehrere Filterkondensatoren übertragen wird. Der bzw. die Filterkondensatoren stellen der Last eine relativ glatte DC-Ausgangsspannung bereit und stellen der Last zwischen Energiespeicherzyklen im Wesentlichen kontinuierliche Energie bereit.
Ein Problem bei Schaltreglerkonfigurationen ist es, dass sie eine gepulste Stromaufnahme aus der Wechselstromquelle mit sich bringen, auf eine Art, die zu einem weniger als optimalen Leistungsfaktor (PF – Power Factor) führt. Der Leistungsfaktor eines Systems ist als das Verhältnis der Wirkleistung, die zur Last fließt, zur Scheinleistung definiert, und ist eine Zahl zwischen 0 und 1 (oder wird als Prozentzahl ausgedrückt, zum Beispiel 0,5 PF = 50% PF). Die Wirkleistung ist die von der Last aufgenommene eigentliche Leistung. Die Scheinleistung ist das Produkt des Stroms und der an die Last angelegte Spannung.
Bei Systemen mit reinen Widerstandslasten sind die Spannungs- und Stromwellenformen phasengleich, wobei sich die Polarität in jedem Zyklus zur gleichen Zeit ändert. Derartige Systeme haben einen Leistungsfaktor 1,0, der auch als „Leistungsfaktor Eins” bezeichnet wird. Wenn Blindlasten vorliegen, wie zum Beispiel bei Lasten einschließlich Kondensatoren, Induktoren oder Transformatoren, führt die Energiespeicherung in der Last zu einem Zeitunterschied zwischen der Stromwellenform und der Spannungswellenform. Diese gespeicherte Energie kehrt zur Quelle zurück und steht nicht zur Ausführung von Arbeit an der Last bereit. Systeme mit Blindlasten weisen oft einen Leistungsfaktor von weniger als Eins auf. Eine Schaltung mit einem niedrigen Leistungsfaktor wird höhere Ströme zur Übertragung einer gegebenen Menge an Wirkleistung verwenden als eine Schaltung mit hohem Leistungsfaktor.
Zur Bereitstellung eines verbesserten Leistungsfaktors sind einige Lampentreiberschaltkreiskonfigurationen mit einer Leistungsfaktorreglerschaltung versehen. Die Leistungsfaktorreglerschaltung kann zum Beispiel als Regler zur Regelung des Betriebs des Transistorschalters in einer Gleichstromwandlerkonfiguration wie einem Sperrwandler verwendet werden. Bei einer derartigen Konfiguration kann der Leistungsfaktorregler die gleichgerichtete Wechselspannung, den von der Last aufgenommenen Strom und die Ausgangsspannung an die Last überwachen und dem Transistor ein Ausgangssteuersignal bereitstellen, Strom an die Last zu schalten, der eine Wellenform aufweist, die im Wesentlichen mit der gleichgerichteten Wechselspannung übereinstimmt und damit phasengleich ist.
Ein weiteres Problem bei Schaltungsreglerkonfigurationen ist es, dass sie einen Klirrfaktor in Form von Restwelligkeiten auf das zur Wechselstromquelle zurückgekehrte Spannungssignal einführen können. Diese Restwelligkeiten treten bei Oberschwingungen der AC-Leitungsfrequenz auf. Wenn diese Restwelligkeiten in die Energieleitung zurückgeführt werden, können einige der Restwelligkeiten, besonders die bei Oberschwingungen der dritten Ordnung der AC-Leitungsfrequenz, Spannungspegel auf dem Neutralleiter von betriebseigenen Drehstromtransformatoren der Energieunternehmen aufbauen und die betriebseigene Apparatur der Energieunternehmen beschädigen. Mit der Verbreitung der Verwendung von Lampen auf Festkörperlichtquellenbasis wird somit eine Reduzierung des Gesamtklirrfaktors (THD – Total Harmonic Distortion) immer wichtiger. Tatsächlich kann eine Reduzierung des THD und eine Erhöhung des Leistungsfaktors bei der Befolgung strengerer rechtlicher Anforderungen wichtig sein, wie zum Beispiel einer Anforderung des Staats Kalifornien, dass der THD 20 Prozent nicht überschreiten darf.
Leider kann sich bei einer Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis, die eine Dimmsteuerschaltung enthält, der THD verschlimmern. Die Dimmsteuerschaltung kann, zum Beispiel aus einer 120 V AC/60 Hz-Quelle, eine Leiterspannung empfangen und dem Gleichrichter zur Steuerung des Beleuchtungsniveaus der Lampe ein modifiziertes Ausgangssignal bereitstellen. Bei einer Konfiguration kann es sich bei der Dimmsteuerschaltung um eine Schaltung handeln, die als „Phasenanschnitts(Phasenabschnitts)-Dimmer” bekannt ist. Bei einem Phasenanschnitts(Phasenabschnitts)-Dimmer wird ein Bruchteil der Eingangsspannungssinuswelle in jeder Periode der Wellenform entweder an der voreilenden oder nacheilenden Flanke der Wellenform abgeschnitten. Während des Schnittzeitintervalls oder der „Totzeit”, wenn die Spannung abgeschnitten ist, kann der Ausgang des Phasenanschnitts(Phasenabschnitts)-Dimmers im Wesentlichen Null sein. Das Restzeitintervall, während dessen die Spannung nicht Null ist, ist als „Dimmerdurchlasszeit” bekannt. Sowohl die Dimmerdurchlasszeit als auch die Totzeit sind variierbar, aber die Zeitperiode der Eingangsspannungswellenform ist konstant, zum Beispiel 1/60 Sekunden in den Vereinigten Staaten. Wie der Begriff „Dimmereinstellung” hier verwendet wird, bezeichnet er das Verhältnis der Dimmerdurchlasszeit zur Zeitperiode der Eingangswellenform. Die Dimmereinstellung eines Phasenanschnitts(Phasenabschnitts)-Dimmers ist durch einen Benutzer steuerbar. Bei einer Konfiguration kann die Dimmereinstellung von ungefähr 0,78 bis ungefähr 0,25 variiert werden. Während der Totzeit bei der niedrigsten Dimmereinstellung des Dimmers kann die Versorgungsspannung zur Leistungsfaktorreglerschaltung auf einen Pegel fallen, der unter ihrem nominalen Betriebsbereich liegt. Dies kann die Leistung der Leistungsfaktorreglerschaltung beeinträchtigen und zu einer Erhöhung des THD sowie einem reduzierten Leistungsfaktor führen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Festkörperlichtquellentreiberschaltung und ein solches System bereit, die bzw. das einen AC-Eingang wie einen 120 V/60 Hz-Eingang in eine Stromquelle für eine Lichtquelle auf Festkörperlichtquellenbasis umwandelt. Die Schaltung kann einen einzigen Integrierte-Schaltung-Leistungsfaktorregler verwenden, um einen Schalter anzusteuern, der an eine unregulierte Gleichspannung gekoppelt ist, die von einem Gleichrichter einem Energiespeicherelement wie einem Induktor bereitgestellt wird. Der Schalter wird mit einer Frequenz geöffnet und geschlossen, die zu einem Eingangsleistungsfaktor führt, der sehr nahe an Eins gesetzt werden kann. Der Gesamtklirrfaktor am Eingang kann sehr niedrig sein, und etwaige EMI kann durch die EMI-Filterkomponenten und die magnetische Abschirmung dem Induktor abgeschwächt werden. Die Schaltung kann auf einer Platine, wie einer Leiterplatte (PCB), angeordnet sein, die in eine Kronleuchterbirne vom B10- oder B11-Typ oder einen anderen Typ von dekorativer Lampe passt. Durch Vibrationen von Kondensatorkomponenten verursachte hörbare Geräusche können reduziert werden, indem Teile der Lötmaskenschicht der PCB unter diesen Kondensatorkomponenten entfernt werden. Die Schaltung kann somit einen sehr hohen Leistungsfaktor, eine hohe Effizienz und eine geringe Größe bereitstellen, die bei Dimmerschaltern funktionieren, einschließlich Phasenanschnittsdimmern und Phasenabschnittsdimmern, ohne dass in der Festkörperlichtquelle ein Flackern auftritt.
Bei einer Ausführungsform ist eine Treiberschaltung zum Ansteuern einer Festkörperlichtquelle bereitgestellt. Die Treiberschaltung enthält Folgendes: eine Gleichrichterschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Eingangswechselspannung zu empfangen und eine unregulierte Gleichspannung bereitzustellen; ein mit der Gleichrichterschaltung gekoppeltes Energiespeicherelement; einen Schalter, wobei der Schalter so eingerichtet ist, dass er sich schließt, um einen Teil der unregulierten Gleichspannung an das Energiespeicherelement zu koppeln, und wobei der Schalter so eingerichtet ist, dass er sich öffnet, um Energie aus dem Energiespeicherelement zu übertragen, um eine DC-Ausgangsspannung bereitzustellen, um die Festkörperlichtquelle anzutreiben; eine Leistungsfaktorreglerschaltung, die dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Schalters bereitzustellen; eine mit der Gleichrichterschaltung gekoppelte Stromableitschaltung, wobei die Stromableitschaltung dazu eingerichtet ist, der Leistungsfaktorreglerschaltung eine Versorgungsspannung innerhalb eines nominalen Betriebsbereichs bereitzustellen und einen mit der Eingangswechselspannung assoziierten Stromfluss aufrechtzuerhalten, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; eine Konstant-Aus-Zeitreglerschaltung, die dazu eingerichtet ist, der Leistungsfaktorreglerschaltung ein Umschaltfrequenzsteuersignal bereitzustellen; und ein EMI-Filter (EMI – elektromagnetische Interferenz), das dazu eingerichtet ist, von der Treiberschaltung erzeugte EMI-Störungen zu reduzieren.
Bei einer verwandten Ausführungsform kann die vorbestimmte Schwelle auf einer nominalen Betriebsstromanforderung einer Dimmerschaltung zur Reduzierung eines Flackerns der Festkörperlichtquelle basieren. Bei einer weiteren verwandten Ausführungsform kann die Treiberschaltung ferner eine Leiterplatte (PCB – Printed Circuit Board) enthalten, auf der die Treiberschaltung angeordnet sein kann. Bei einer weiteren verwandten Ausführungsform kann die PCB einen Durchmesser aufweisen, der 1,25 Zoll nicht überschreitet. Bei einer weiteren verwandten Ausführungsform kann das Energiespeicherelement und das EMI-Filter derart auf der PCB angeordnet sein, dass zwischen dem Energiespeicherelement und dem EMI-Filter ein Abstand bereitgestellt ist, der eine voreingestellte Schwelle überschreiten kann.
Bei einer noch weiteren verwandten Ausführungsform kann das Energiespeicherelement ein Induktor sein, und der Induktor kann mit einem Ferritmaterial abgeschirmt sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Festkörperlichtquellenlampenanordnung bereitgestellt. Die Festkörperlichtquellenlampenanordnung enthält Folgendes: ein Gehäuse; eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Festkörperlichtquelle; und einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Treiber, wobei der Treiber Folgendes aufweist: eine Gleichrichterschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Eingangswechselspannung zu empfangen und eine unregulierte Gleichspannung bereitzustellen; ein mit der Gleichrichterschaltung gekoppeltes Energiespeicherelement; einen Schalter, wobei der Schalter so eingerichtet ist, dass er sich schließt, um einen Teil der unregulierten Gleichspannung an das Energiespeicherelement zu koppeln, und wobei der Schalter so eingerichtet ist, dass er sich öffnet, um Energie aus dem Energiespeicherelement zu übertragen, um eine DC-Ausgangsspannung bereitzustellen, um die Festkörperlichtquelle anzutreiben; eine Leistungsfaktorreglerschaltung, die dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Schalters bereitzustellen; eine mit der Gleichrichterschaltung gekoppelte Stromableitschaltung, wobei die Stromableitschaltung dazu eingerichtet ist, der Leistungsfaktorreglerschaltung eine Versorgungsspannung innerhalb eines nominalen Betriebsbereichs bereitzustellen und einen mit der Eingangswechselspannung assoziierten Stromfluss aufrechtzuerhalten, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; eine Konstant-Aus-Zeitreglerschaltung, die dazu eingerichtet ist, der Leistungsfaktorreglerschaltung ein Umschaltfrequenzsteuersignal bereitzustellen; und ein EMI-Filter (EMI – elektromagnetische Interferenz), das dazu eingerichtet ist, von der Treiberschaltung erzeugte EMI-Störungen zu reduzieren.
Bei einer verwandten Ausführungsform kann die vorbestimmte Schwelle auf einer nominalen Betriebsstromanforderung einer Dimmerschaltung zur Reduzierung eines Flackerns der Festkörperlichtquelle basieren. Bei einer weiteren verwandten Ausführungsform kann die Festkörperlichtquellenlampenanordnung ferner eine Leiterplatte (PCB – Printed Circuit Board) enthalten, auf der die Treiberschaltung angeordnet sein kann. Bei einer weiteren verwandten Ausführungsform kann die PCB einen Durchmesser aufweisen, der 1,25 Zoll nicht überschreitet. Bei einer weiteren verwandten Ausführungsform kann das Energiespeicherelement und das EMI-Filter derart auf der PCB angeordnet sein, dass zwischen dem Energiespeicherelement und dem EMI-Filter ein Abstand bereitgestellt ist, der eine voreingestellte Schwelle überschreitet.
Bei einer noch weiteren verwandten Ausführungsform kann das Energiespeicherelement ein Induktor sein, und der Induktor kann mit einem Ferritmaterial abgeschirmt sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Antreiben einer Festkörperlichtquelle bereitgestellt. Das Verfahren enthält Folgendes: Empfangen eines AC-Eingangssignals; Aufrechterhalten eines mit dem AC-Eingangssignal assoziierten Stromflusses, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; Umwandeln des AC-Eingangssignals in einen regulierten DC-Ausgang; Regeln eines Leistungsfaktors des regulierten DC-Ausgangs unter Verwendung einer Leistungsfaktorreglerschaltung; Filtern von EMI, welches durch die Umwandlung erzeugt wird; und Koppeln des regulierten DC-Ausgangs an die Festkörperlichtquelle.
Bei einer verwandten Ausführungsform kann das Umwandeln das Betreiben eines Schalters zur Bestromung eines Induktors enthalten, der dazu eingerichtet ist, an die Festkörperlichtquelle gekoppelt zu werden, und wobei das Regeln des Leistungsfaktors das Ansteuern des Schalters enthalten kann.
Bei einer weiteren verwandten Ausführungsform kann das Umwandeln das Betreiben eines Schalters zur Bestromung eines Induktors enthalten, der dazu eingerichtet ist, an die Festkörperlichtquelle gekoppelt zu werden, wobei der Induktor mit einem Ferritmaterial abgeschirmt sein kann.
Bei einer weiteren verwandten Ausführungsform kann das Aufrechterhalten das Aufrechterhalten eines mit dem AC-Eingangssignal assoziierten Stromflusses enthalten, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle auf Basis einer nominalen Betriebsstromanforderung einer Dimmerschaltung zum Reduzieren eines Flackerns der Festkörperlichtquelle überschreitet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten und andere hier offenbarte Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter hier offenbarter Ausführungsformen deutlich, wie sie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind, in denen sich gleiche Bezugszeichen in allen unterschiedlichen Ansichten auf die gleichen Teile beziehen. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, stattdessen liegt die Betonung auf der Veranschaulichung der hier offenbarten Prinzipien.
1 ist ein Blockschaltbild eines Systems gemäß hier offenbarter Ausführungsformen.
2 ist ein Blockschaltbild einer Festkörperlichtquellentreiberschaltung gemäß hier offenbarter Ausführungsformen.
3 ist ein Schaltdiagramm einer Festkörperlichtquellentreiberschaltung gemäß hier offenbarter Ausführungsformen.
4 ist ein Blockflussdiagramm eines Verfahrens gemäß hier offenbarter Ausführungsformen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Allgemein stellen die Ausführungsformen Schaltungen, Systeme und Verfahren zur Implementierung eines Festkörperlichtquellentreibers für eine dimmbare Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis bereit, wie zum Beispiel unter anderem eine Lampe auf LED-Basis. Die Begriffe „Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis”, „Lampe auf LED-Basis” und „LED-Lampe”, wie sie durchgehend synonym verwendet werden, beziehen sich auf eine beliebige Art von Lampe und/oder Lampensystem, die bzw. das eine oder mehrere Festkörperlichtquellen enthält, ob LEDs, organische Leuchtdioden (OLEDs), Polymerleuchtdioden (PLEDs) und dergleichen. Ähnlich bezeichnen die Begriffe „Festkörperlichtquellentreiber”, „Festkörperlichtquellentreiberschaltung”, „LED-Treiber” und „LED-Treiberschaltung”, wie sie hier durchgehend synonym verwendet werden, eine beliebige Schaltung und/oder Schaltungen und/oder elektronische Komponenten und/oder Kombinationen von Hardware und Software, die eine oder mehrere Festkörperlichtquellen ansteuern, ob LEDs, organische Leuchtdioden (OLEDs), Polymerleuchtdioden (PLEDs) und dergleichen. Ähnlich bezeichnen die Begriffe „Festkörperlichtquelle” und „Lichtquelle auf LED-Basis” eine beliebige Lichtquelle, die eine oder mehrere Festkörperlichtquellen enthält, ob LEDs, organische Leuchtdioden (OLEDs), Polymerleuchtdioden (PLEDs) und dergleichen. Die dimmbare Lampe auf Festkörperlichtquellenbasis weist einen reduziertem Formfaktor auf, wie zum Beispiel unter anderem den Formfaktor einer Kronleuchterbirne vom B10- oder B11-Typ oder eines anderen Typs einer dekorativen Lampe. Der Treiber, der einen Gleichstromwandler enthält, der in einer Tiefsetzstellertopologie eingerichtet ist, enthält ferner eine Leistungsfaktorreglerschaltung (PFC-Schaltung; PFC – Power Factor Controller), eine Stromableitschaltung und eine Konstant-Aus-Zeitreglerschaltung (COTC-Schaltung; COTC – Constant Off-Time Controller). Die Stromableitschaltung ist dazu eingerichtet, einen Strom, der aus dem AC-Eingang aufgenommen wird, über einen Schwellenwert zu halten, um den Stromanforderungen einer Dimmerschaltung zu genügen, wie zum Beispiel einem TRIAC-Dimmer, und die Möglichkeit eines Flackerns zu reduzieren. Die Stromableitschaltung stellt der COTC-Schaltung und der PFC-Schaltung eine Versorgungsspannung bereit. Die COTC-Schaltung ermöglicht es der PFC-Schaltung, bei festgelegter Frequenz mit erhöhter Effizienz und reduziertem Schaltverlust betrieben zu werden, was zu einer reduzierten Treibergröße bei gleichzeitigem geringen THD und hohen Leistungsfaktor führt.
Die Verwendung einer Tiefsetzstellertopologie beseitigt das Erfordernis eines Zeilentransformators, wie er bei einem Schaltregler auf Transformatorbasis verwendet werden würde. Dies kann die Treibergröße weiter reduzieren. Ein Festkörperlichtquellentreiber gemäß Ausführungsformen kann auch oder alternativ ein EMI-Filter zur Schwächung von EMI-bedingten Störungen enthalten.
Nunmehr mit Bezug auf 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems 100 gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Allgemein enthält das System 100 eine Leuchtdioden(LED)-Treiberschaltung 102 zum Empfangen eines Wechselstromeingangs AC_in, entweder direkt oder durch eine bekannte Dimmerschaltung 104, und dies stellt einen regulierten Gleichstromausgang DC_out zum Ansteuern einer Lichtquelle 106 auf LED-Basis bereit. Die Lichtquelle 106 auf LED-Basis kann dazu eingerichtet sein, einen Raum, wie zum Beispiel unter anderem den von einer Kronleuchterbirne vom B10- oder B11-Typ (d. h. Lampe) oder einem anderen Typ dekorativer Lampe, einzunehmen. Die Lichtquelle 106 auf LED-Basis kann eine einzige LED oder mehrere LEDs, die in Serien- und/oder Parallelkonfigurationen miteinander verbunden sind, enthalten. Obgleich in der Darstellung eine einzige Lampenanordnung 110 auf LED-Basis mit der Dimmerschaltung 104 gekoppelt ist, können in einigen Ausführungsformen mehrere Lampenanordnungen 110 auf LED-Basis mit einer einzigen Dimmerschaltung 104 gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsformen kann AC_in zum Beispiel unter anderem direkt aus einer 120 V AC/60 Hz-Leitungsquelle bereitgestellt werden. Es versteht sich jedoch, dass ein System gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen von einer beliebigen Art von AC-Quelle(n) betrieben werden kann, wie zum Beispiel einer 220–240 V bei 50–60 Hz.
Bei Ausführungsformen, die die Dimmerschaltung 104 enthalten, kann die Dimmerschaltung 104 eine beliebige bekannte Dimmerschaltungskonfiguration aufweisen, wie zum Beispiel unter anderem ein standardmäßiger „Phasenanschnittsdimmer oder Phasenabschnittsdimmer”, der in einem Wandschalter bereitgestellt ist, dessen Betrieb gut bekannt ist. Wie oben beschrieben schneidet die Dimmerschaltung 104 in einer Phasenanschnitts(Phasenabschnitts)-Dimmerschaltungskonfiguration einen Bruchteil der Eingangsspannungssinuswelle AC_in in jeder Periode der Wellenform, um der LED-Treiberschaltung 102 mit einer assoziierten Dimmereinstellung einen AC-Eingang bereitzustellen.
Die LED-Treiberschaltung 102 kann die Eingangswechselspannung AC_in in eine regulierte Ausgangsgleichspannung DC_out mit einem hohen Leistungsfaktor, geringem THD, hoher Effizienz und kleiner Größe umwandeln. Die LED-Treiberschaltung 102 und die Lichtquelle 106 auf LED-Basis können somit innerhalb einer Lampenanordnung 110 auf LED-Basis wie durchgehend beschrieben bereitgestellt werden. Die Lampenanordnung 110 auf LED-Basis kann eine praktische Nachrüstung für bestehende Beleuchtungskörper bereitstellen, die dazu eingerichtet sind, Lampen zu bestromen, einschließlich Lichtquellen, die nicht auf LEDs basieren, zum Beispiel Glühquellen, Leuchtstoffquellen und/oder Gasentladungsquellen und insbesondere Lampen mit einem reduziertem Formfaktor wie zum Beispiel einer Kronleuchterbirne vom B10- oder B11-Typ oder einem anderen Typ dekorativer Lampe. Eine Lampenanordnung 110 auf LED-Basis wie durchgehend beschrieben kann direkt in einen derartigen Beleuchtungskörper eingesetzt werden, um mit dem dahin geführten AC-Eingang betrieben zu werden, und kann mit einer bekannten Dimmerschaltung 104 betrieben werden, die Phasenanschnitts- und Phasenabschnittsdimmerschaltungen enthält. Eine Lampe, die eine Lichtquelle 106 auf LED-Basis enthält, kann im Vergleich mit denen, die Lichtquellen enthalten, die nicht auf LEDs basieren, eine lange Lebensdauer und einen niedrigen Energieverbrauch bereitstellen.
2 ist ein Blockschaltbild, das konzeptuell die Funktion einer LED-Treiberschaltung 102 veranschaulicht, wie in Blockform in 1 gezeigt. Wie in 2 gezeigt, enthält eine LED-Treiberschaltung 102 ein EMI-Filter 102 (das bei einigen Ausführungsformen fehlen kann), eine Gleichrichterschaltung 204, eine Stromableitschaltung 206, einen Schalter 208 zum Koppeln des Ausgangs der Gleichrichterschaltung 204 an eine Ausgangsstufe 210, eine Spannungserfassungsschaltung 212, eine Konstant-Aus-Zeitreglerschaltung 216 (COTC-Schaltung) und eine Leistungsfaktorreglerschaltung (PFC-Schaltung) 214.
Allgemein kann die Eingangswechselspannung AC_in mit dem EMI-Filter 202 oder der Gleichspannungsschaltung 204 gekoppelt sein, entweder direkt oder durch eine Dimmerschaltung 104. Das EMI-Filter 202 kann dazu eingerichtet sein, EMI-Störungen zu reduzieren und ein mit Phasenanschnittsdimmern wie Dimmern auf Triac-Basis assoziiertes Nachschwingen zu dämpfen. Bei einigen Ausführungsformen können Komponentenwerte des EMI-Filters 202 so gewählt werden, dass der Phasenwinkel zwischen Eingangsspannung und Eingangsstrom eingestellt werden kann, um einen niedrigeren THD zu erreichen. Bei einigen Ausführungsformen können Komponentenwerte des EMI-Filters 202 zur Reduzierung einer EMI-Störungsresonanzspitze gewählt werden, zum Beispiel unter anderem im Bereich von 150 kHz bis 700 kHz und/oder im Wesentlichen 150 kHz bis 700 kHz.
Die Gleichrichterschaltung 204 ist dazu eingerichtet, AC_in gleichzurichten, um eine unregulierte Eingangsgleichspannung DC_in bereitzustellen, die momentanen Variationen der Eingangswechselspannung folgt. In der Technik sind eine Reihe von Gleichrichterschaltungskonfigurationen gut bekannt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Gleichrichterschaltung 204 zum Beispiel einen bekannten Brückengleichrichter enthalten.
Der Ausgang der Gleichrichterschaltung 204 ist durch den Schalter 208 unter der Steuerung der PFC-Schaltung 214 mit der Ausgangstufe 210 gekoppelt. Der Schalter 208 kann ein bekannter Transistorschalter sein, wie er gewöhnlich in bekannten Schaltreglerkonfigurationen verwendet wird, ist aber nicht darauf beschränkt. Im Allgemeinen steuert der Schalter 208, ob die Ausgangsstufe 210 mit dem Ausgang der Gleichrichterschaltung 204 gekoppelt ist. Der Schalter 208 steuert somit die Energiemenge, die der Ausgangsstufe 210 zugeführt wird, und die Energiemenge kann durch Variieren der An-Zeit und der Aus-Zeit des Schalters 208 eingestellt werden. Die Ausgangsstufe 210 kann ein Energiespeicherelement enthalten, wie zum Beispiel unter anderem einen Induktor, das durch die aus dem Schalter 208 gekoppelte Energie geladen wird und durch die Lichtquelle 106 auf LED-Basis entladen wird, um die Lichtquelle anzusteuern. Die Ausgangsstufe 210 kann auch einen Kondensator enthalten, um die Spannung DC_out, die der Lichtquelle 106 auf LED-Basis bereitgestellt wird, zu glätten.
Die PFC-Schaltung 214 kann einen bekannten Leistungsfaktorregler enthalten, und bei einigen Ausführungsformen enthält sie einen solchen, der dazu eingerichtet ist, dem Schalter 208 zur Ansteuerung des Schalters 208 als Reaktion auf ein erstes Signal, das Spannung von der Gleichrichterschaltung 204 angibt, ein zweites Signal, das eine gewünschte Konstant-Aus-Zeit für den Leistungsfaktorregler angibt, und ein drittes Signal, das Stromfluss durch den Schalter 208 angibt, einen Ausgang bereitzustellen. Der Ausgang von dem Leistungsfaktorregler steuert den Schalter 208, so dass der Strom zu der Lichtquelle 106 auf LED-Basis eine Wellenform aufweist, die im Wesentlichen mit dem Ausgang der Gleichrichterschaltung 204 übereinstimmt und gleichphasig ist, wodurch ein hoher Leistungsfaktor und ein niedriger THD bereitgestellt wird.
Bekannte integrierte Schaltungen (ICs – Integrated Circuits) für LED-Regler, die als Leistungsfaktorregler in einer LED-Treiberkonfiguration gemäß hier beschriebener Ausführungsformen verwendet werden können, enthalten bekannte LED-Regler-ICs, wie zum Beispiel unter anderem den Regler mit der Modellnummer LM3445, der derzeit von National Semiconductor in Santa Clara, Ca, USA, erhältlich ist. Der Regler LM3445 kann zum Beispiel als Regler in einer DC/DC-Tiefsetzstellerimplementation verwendet werden. Einzelheiten darüber und über alternative Anwendungen des LM3445-Reglers sind im LM3445-Datenblatt „LM3445 Triac Dimmable Offline LED Driver” von National Semiconductor, September 2010, erörtert, welches unter http://www.national.com erhältlich ist und hier durch Verweis einbezogen wird.
Bei einer LED-Treiberschaltung 102 gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen ist die Stromableitschaltung 206 dazu eingerichtet, einen Strom, der aus dem AC-Eingang aufgenommen wird, über einen Schwellenwert zu halten, um den Stromaufnahmeanforderungen der Dimmerschaltung 104 zu genügen. Dimmerschaltungen, wie zum Beispiel TRIAC-Dimmer, benötigen in der Regel einen Mindeststromfluss über den gesamten Wechselspannungswellenformzyklus. Falls der Stromfluss unter diesen Mindestwert fällt, kann der Dimmer zeitweise abgeschaltet sein, zumindest bis sich der Strom erhöht, was ein merkliches Flackern der Lichtquelle 106 auf LED-Basis verursachen kann. Die Stromableitschaltung kann auch der COTC-Schaltung 216 und der PFC-Schaltung 214 eine Versorgungsspannung zuführen, um während der Totzeit bei der geringsten Dimmereinstellung der Dimmerschaltung 104 die Versorgungsspannung bei einem nominalen Betriebsbereich zu halten. So lässt sich ein negativer Einfluss auf die Leistung der COTC-Schaltung 216 und der PFC-Schaltung 214 vermeiden, was zu einer Erhöhung des THD und einer Reduzierung des Leistungsfaktors führen könnte. Wie der Begriff „nominal” hier verwendet wird, wenn er sich auf eine Menge bezieht, bedeutet er eine designierte oder theoretische Menge, die von der tatsächlichen Menge abweichen kann.
Bei der LED-Treiberschaltung 102 erfasst die Spannungserfassungsschaltung 212 die unregulierte Spannung DC_in, die von der Gleichrichterschaltung 204 bereitgestellt wird, und erzeugt eine Bezugsspannung, die für die unregulierte Spannung DC_in repräsentativ ist und der PFC Schaltung 114 bereitgestellt wird. Die Bezugsspannung kann von der PFC-Schaltung 214 im Vergleich mit einem erfassten Strom durch den Schalter 208 verwendet werden, um den Pegel zu steuern, bei dem die PFC-Schaltung 214 den Schalter 208 schaltet, um eine Stromwellenform der Lichtquelle 106 auf LED-Basis bereitzustellen, die mit dem Ausgang der Gleichrichterschaltung 204 übereinstimmt und gleichphasig ist. Dieses Merkmal stellt einen hohen Leistungsfaktortreiber mit reduziertem THD bereit.
Die COTC-Schaltung 216 stellt der PFC-Schaltung 214 ein Konstant-Aus-Zeitsignal bereit, welches die PFC-Schaltung 214 in die Lage versetzt, mit erhöhter Effizienz und reduziertem Schaltverlust bei einer festgelegten Schaltfrequenz betrieben zu werden, was zu einer reduzierten Treibergröße führen kann, während ein niedriger THD und ein hoher Leistungsfaktor beibehalten werden. Die PFC-Schaltung 214 weist eine An-Zeit und eine Aus-Zeit auf. Die An-Zeit ist die Zeitperiode, wenn die PFC-Schaltung 214 den Schalter 208 dazu veranlasst, „geschlossen” zu sein, und so die Gleichrichterschaltung 204 an die Ausgangsstufe 210 koppelt. Die Aus-Zeit ist die Zeitperiode, wenn die PFC-Schaltung 214 den Schalter 208 dazu veranlasst, „offen” zu sein, und so die Gleichrichterschaltung 204 von der Ausgangsstufe 210 abkoppelt. Das Umwandlungsverhältnis für einen Tiefsetzsteller kann wie folgt definiert sein: V_out/V_in = An-Zeit/ (An-Zeit + Aus-Zeit). Somit ist für ein gegebenes Umwandlungsverhältnis V_out/V_in und eine gegebene festgelegte Aus-Zeit die An-Zeit eingestellt und die Schaltfrequenz, die als die Reziproke der Summe der An-Zeit und der Aus-Zeit definiert werden kann, ist ebenso festgelegt.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform einer LED-Treiberschaltung 102a auf Basis der in 1 und 2 gezeigten LED-Treiberschaltung 102 veranschaulicht. Die LED-Treiberschaltung 102a enthält eine Eingangsspannungsüberspannungsschutzschaltung 218, ein EMI-Filter 202, eine Brückengleichrichterschaltung 204, eine Stromableitschaltung 206, einen Schalter 208 zum Koppeln des Ausgangs der Gleichrichterschaltung 204 an eine Ausgangsstufe 210, eine Spannungserfassungsschaltung 212, eine COTC-Schaltung 216 und eine PFC-Schaltung 214. Die PFC-Schaltung 214 enthält eine L3445-LED-Regler-IC U1, deren Betrieb bekannt ist und die im Datenblatt für LM3445 von National Semiconductor, auf das oben Bezug genommen wird, beschrieben ist. Der Durchschnittsfachmann wird jedoch erkennen, dass andere bekannte LED-Regler statt des in der Ausführungsform von 3 gezeigten Reglers LM3445 verwendet werden können.
Im Betrieb ist der AC-Eingang zur Schaltung AC_in durch die Überspannungsschutzschaltung 218 und das EMI-Filter 202 an die Gleichrichterschaltung 204 gekoppelt. Die Überspannungsschutzschaltung 218 enthält eine Sicherung F1 und einen Metalloxid-Varistor (MOV), die die LED-Treiberschaltung 102a vor Eingangsspannungsüberspannungen schützen. Das EMI-Filter 202 enthält Induktoren L1 und L2, Kondensatoren C2, C5 und C6 und Widerstände R17, R3, R6 und R5, die in einer Pi-Netztopologie angeordnet sind. Der Widerstand R17 begrenzt den Spitzen- und Einschaltstrom zur Treiberschaltung 102a, was es ermöglicht, dass eine erhöhten Anzahl an LED-Treiberschaltungen 102a durch eine einzige Dimmerschaltung 104 bestromt wird, ohne dass die einzige Dimmerschaltung 104 beschädigt wird. Der Widerstand R17 bildet auch Teil des RC-Filternetzes, das EMI-bedingte Störungen reduziert. Die Komponentenwerte des EMI-Filters 202 können so gewählt werden, dass eine EMI-Störungsresonanzspitze in dem ungefähren Bereich von 150 kHz bis 700 kHz reduziert wird. Das EMI-Filter 202 kann die LED-Treiberschaltung 102a dazu in die Lage versetzen, den EMI-Begrenzungsanforderungen gemäß FCC Teil 15 Klasse B zu entsprechen.
Die Gleichrichterschaltung 204 enthält einen bekannten Brückengleichrichter. Die Gleichrichterschaltung 204 richtet den AC-Eingang gleich, um eine gleichgerichtete unregulierte Gleichspannung DC_in bereitzustellen. Der Ausgang der Gleichrichterschaltung DC_in ist mit dem Induktor L3 und den Kondensatoren C7 und C3 der Ausgangsstufe 210 durch die Diode D1 gekoppelt, die dazu dient, Rückstromfluss zu sperren und Spannungsüberspannungen, die von dem Schalter 208 erzeugt werden können, zu unterdrücken. Der Kondensator C1 stellt entlang seines Kopplungspfads zusätzliche EMI-Störungsreduzierung bereit.
Der Schalter 208 (in Verbindung mit 3 auch als Schalter Q2 bezeichnet) steuert, ob die Ausgangsstufe 210 mit dem Ausgang der Gleichrichterschaltung 204 gekoppelt ist. Wenn der Gate-Antrieb des Schalters Q2 an ist, befindet sich der Schalter Q2 in einem leitenden Zustand und Strom fließt von der Gleichrichterschaltung 204 durch die Ausgangsstufe 210, wodurch der Lichtquelle 106 auf LED-Basis Energie bereitgestellt wird und der Induktor L3, der als Energiespeicherelement dient, bestromt wird. Wenn der Gate-Antrieb des Schalters Q2 aus ist, befindet sich der Schalter Q2 in einem nichtleitenden Zustand und die Gleichrichterschaltung 204 ist von der Ausgangsstufe 210 abgekoppelt. Während dieses nichtleitenden Zustands fließt Strom von dem sich entladenden Induktor L3 durch die Diode D3, um der Lichtquelle 106 auf LED-Basis Energie bereitzustellen. Die Kondensatoren C3 und C7 reduzieren Störungen und Welligkeitsstrom zur Lichtquelle 106 auf LED-Basis.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Induktor L3 abgeschirmt sein, um Magnetfeldstrahlung zu reduzieren und Interaktion zwischen dem Induktor und einem Gehäuse der Lampe/der Lampenanordnung/des Lampensystems, welches metallisch sein kann, zu reduzieren. Die Abschirmung kann ein Ferritmaterial mit geeigneten Eigenschaften zur Reduzierung von abgestrahlten Magnetfeldern aufweisen.
Der Gate-Antrieb für die Schaltung Q2 wird von der LED-Regler-IC U1 bereitgestellt. Im Allgemeinen verwendet die LED-Regler-IC U1 eine Spannung, die für den Ausgang der Gleichrichterschaltung 204 DC_in repräsentativ ist, als einen Bezug, um den Pegel zu steuern, an dem die LED-Regler-IC U1 den Schalter Q2 unter Verwendung des Gate-Antriebausgangs, der mit dem Gate von Q2 durch R12 gekoppelt ist, an- und aus-schaltet. Dieses Merkmal lässt einen sehr hohen Leistungsfaktortreiber zu. Die Schaltfrequenz wird teilweise durch die COTC-Schaltung 216, die mit einem COFF-Eingang der LED-Regler-IC U1 gekoppelt ist, in Kombination mit einer Repräsentation des LED-Treiberschaltungsausgangsstroms, wie er vom Widerstand R14 erfasst wird und mit einem ISNS-Eingang der LED-Regler-IC U1 gekoppelt ist, bestimmt.
Insbesondere wird ein Teil der Spannung DC_in mit einem FLTR2-Eingang der LED-Regler-IC U1 gekoppelt, um der LED-Regler-IC U1 eine Bezugsspannung bereitzustellen, die für die unregulierte Gleichspannung DC_in repräsentativ ist. Der FLTR2-Eingang ist zwischen die Widerstände R2 und R15 gekoppelt. Auswahl der Werte der Widerstände R2 und R15 ermöglicht einen Kompromiss zwischen Restwelligkeiten und Leistungsfaktorverbesserung in der von der LED-Regler-IC U1 erstellten Ausgangsspannung DC_out. Die LED-Regler-IC U1 vergleicht diese Bezugsspannung mit der Spannung, die für die Stromerfassung am ISNS-Eingang repräsentativ ist, und wenn die beiden im Wesentlichen gleich sind, schaltet die LED-Regler-IC U1 den Gate-Antrieb zum Schalter Q2 für die Konstant-Aus-Zeit ab, wie von der COTC-Schaltung 216 bestimmt. Somit agiert die LED-Regler-IC U1 als Leistungsfaktorregler und stellt der Lichtquelle 106 auf LED-Basis eine Stromwellenform bereit, die im Wesentlichen mit dem Ausgang der Gleichrichterschaltung 204 übereinstimmt und gleichphasig ist, um einen Treiber mit erhöhtem Leistungsfaktor und reduziertem THD bereitzustellen.
Einem Versorgungsspannungseingang Vcc der LED-Regler-IC U1 wird durch die Stromableitschaltung 206 Versorgungsspannung zugeführt. Diese Konfiguration kann gewährleisten, dass die Versorgungsspannung bei einem nominalen Betriebsbereich gehalten wird, einschließlich über die Dauer der Totzeit, die mit der niedrigsten Dimmereinstellung der Dimmerschaltung 104 assoziiert ist, da die Ableitsschaltung 206 eine Stromaufnahme von dem AC-Eingang über einem Schwellenwert hält, um den Stromanforderungen der Dimmerschaltung 104 zu genügen. Die Ableitschaltung 206 enthält einen Widerstand R1, eine Zenerdiode D7 und einen Transistor Q1 in einer Reihendurchgangsreglerkonfiguration, welche die unregulierte Gleichspannung DC_in zu einem Pegel umsetzt, der von der LED-Regler-IC U1 an einem BLDER-Eingang erfasst werden kann. Der Widerstand R8 leitet Ladung von einer möglicherweise in der Schaltung vorliegenden Streukapazität ab und stellt den Strompfad für die mit der Dimmerschaltung 104 assoziierte Schwellenstromaufnahmeanforderung bereit. Das Diodenkondensatorennetz D8 und C4 halten die Versorgungsspannung Vcc der LED-Regler-IC U1 bei einem nominalen Betriebspegel, wenn sich die Spannung am BLDER-Eingang verringert.
Bei einer wie hier beschriebenen LED-Treiberschaltung 102 können die Schaltungskomponenten auf einer Leiterplatte (PCB) derart angeordnet sein, dass die PCB in einem Beleuchtungskörper reduzierter Größe angeordnet werden kann, wie zum Beispiel unter anderem einer Kronleuchterbirne vom B10- oder B11-Typ oder einem anderen Typ dekorativer Lampe. Eine Kronleuchterbirne vom B10- oder B11-Typ kann ein allgemein kreisförmiges Gehäuse mit einem nominalen Durchmesser von jeweils 1,25 Zoll und 1,375 Zoll am breitesten Punkt aufweisen. Die Leiterplatte kann damit einen Durchmesser von weniger als 1,25 Zoll zur Einsetzung innerhalb des Gehäuses aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen können die Komponenten derart positioniert sein, dass das EMI-Filter 202 und die Ausgangsstufe 210 durch einen erhöhten Abstand physisch voneinander getrennt sind, um die EMI-Abgabe weiter zu reduzieren. Bei einigen Ausführungsformen kann die Leiterplatte eine Lötmaskenschicht aufweisen, und Teile der Lötmaskenschicht unter keramischen Kondensatoren, wie die in 3 gezeigten Kondensatoren C1, C2 und C5, können entfernt werden, um hörbare Geräusche zu reduzieren, die durch Vibrationen der Kondensatoren gegen die darunterliegende Lötmaskenschicht verursacht werden. Alternativ kann ein gesamtes Segment der Leiterplatte unter einem Kondensator entfernt werden.
Eine Treiberschaltung 102 kann zum Betrieb mit verschiedenen Eingangsspannungen auf Basis einer geeigneten Auswahl von verschiedenen Schaltungskomponenten davon eingerichtet sein. Die folgende Tabelle 1 identifiziert ein Beispiel von Schaltungskomponenten, die bei der Konfiguration der LED-Treiberschaltung 102a, die in 3 veranschaulicht ist, zum Betrieb mit einem 120 V eff/60 Hz AC-Eingangssignal nützlich ist (Widerstandswerte in Ohm): TABELLE 1
Bei einigen Ausführungsformen weist die Treiberschaltung 102a eine Eingangsleistung von 3,17 W auf bei einer Eingangsspannung von 120 V (eff), mit einem Eingangsstrom von 29,05 mA (eff), einem Leistungsfaktor von 0,91, einem Eingangsstrom-THD von 19,07%; eine Ausgangsspannung von 11,33 VDC, einen Ausgangsstrom von 201,68 mA DC und einer Effizienz von 74,05%.
4 ist ein Blockflussdiagramm eines Verfahrens 400 zum Ansteuern einer Lichtquelle auf LED-Basis. Der Fachmann wird verstehen, dass, sofern hier nichts anderes angegeben ist, die jeweilige beschriebene Reihenfolge der Schritte lediglich der Veranschaulichung dient und variiert werden kann, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Somit sind, sofern nichts anderes angegeben, die unten beschriebenen Schritte ungeordnet, was bedeutet, dass, wo immer möglich, die Schritte in einer beliebigen praktischen oder erwünschten Reihenfolge durchgeführt werden können.
Zuerst wird ein AC-Eingangssignal empfangen, Schritt 401. Daraufhin wird ein mit dem AC-Eingangssignal assoziierter Stromfluss aufrechterhalten, Schritt 402, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Bei einigen Ausführungsformen wird ein mit dem AC-Eingangssignal assoziierter Stromfluss aufrechterhalten, Schritt 410, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle auf Basis einer nominalen Betriebsstromanforderung einer Dimmerschaltung überschreitet, um Flackern der Festkörperlichtquelle zu reduzieren. Das AC-Eingangssignal wird in einen regulierten DC-Ausgang umgewandelt, Schritt 403. Ein Leistungsfaktor des regulierten DC-Ausgangs wird mittels einer Leistungsfaktorreglerschaltung geregelt, Schritt 404. Durch die Umwandlung erzeugte EMI wird gefiltert, Schritt 405. Der regulierte DC-Ausgang wird mit der Festkörperlichtquelle gekoppelt, Schritt 406.
Bei einigen Ausführungsformen, wenn das AC-Eingangssignal in einen regulierten DC-Ausgang umgewandelt wird, Schritt 403, wird ein Schalter betrieben, um einen Induktor zu bestromen, der dazu eingerichtet ist, mit der Festkörperlichtquelle gekoppelt zu sein, Schritt 407, und wenn ein Leistungsfaktor des regulierten DC-Ausgangs mittels einer Leistungsfaktorreglerschaltung geregelt wird, Schritt 404, wird der Schalter angesteuert, Schritt 408.
Bei einigen Ausführungsformen, wenn das AC-Eingangssignal in einen regulierten DC-Ausgang umgewandelt wird, Schritt 403, wird ein Schalter betrieben, um einen Induktor zu bestromen, der dazu eingerichtet ist, mit der Festkörperlichtquelle gekoppelt zu werden, wobei der Induktor mit einem Ferritmaterial abgeschirmt wird, Schritt 409.
Wie der Begriff „Schaltkreis” in einer beliebigen Ausführungsform hier verwendet wird, kann er zum Beispiel allein oder in Kombination festverdrahtete Schaltkreise, programmierbare Schaltkreise, Zustandsmaschinenschaltkreise und/oder Firmware, die Anweisungen speichert, die von einem programmierbaren Schaltkreis ausgeführt werden, umfassen.
Der Begriff „gekoppelt”, wie er hier verwendet wird, bezeichnet eine beliebige Verbindung, Kopplung, Verbindungsstrecke oder dergleichen, durch die Signale, die von einem Systemelement getragen werden, dem „gekoppelten” Element aufgeprägt werden. Derartige „gekoppelte” Einrichtungen, oder Signale und Einrichtungen, sind nicht unbedingt direkt miteinander verbunden und können durch Zwischenkomponenten oder -einrichtungen getrennt sein, die derartige Signale manipulieren oder modifizieren können. Ähnlich sind die Begriffe „verbunden” oder „gekoppelt”, wie sie hier in Bezug auf mechanische oder physische Verbindungen oder Kupplungen verwendet werden, relative Begriffe und benötigen keine direkte physische Verbindung.
Sofern nichts anderes angegeben ist, kann die Verwendung des Begriffs „im Wesentlichen” derart ausgelegt werden, dass er eine präzise Beziehung, Zustand, Anordnung, Orientierung und/oder andere Eigenschaft und Abweichungen davon, wie sie von einem Durchschnittsfachmann verstanden werden, enthält, sofern derartige Abweichungen die offenbarten Verfahren und Systeme nicht wesentlich beeinträchtigen.
In der gesamten vorliegenden Offenbarung kann die Verwendung der Artikel „ein/e” und/oder „der/die/das” zur Modifizierung eines Hauptworts so verstanden werden, dass sie aus praktischen Gründen verwendet werden und ein oder mehr als eins des modifizierten Hauptworts enthalten, sofern spezifisch nichts anderes angegeben ist. Die Begriffe „umfassen”, „enthalten” und „aufweisen” sollen inklusiv sein und bedeuten, dass zusätzlich zu den aufgezählten Elementen weitere Elemente vorliegen können.
Elemente, Komponenten, Module und/oder Teile davon, die durch den Figuren derart beschrieben und/oder anderweitig derart dargestellt sind, dass sie mit etwas anderem kommunizieren, assoziiert sind und/oder darauf basieren, werden derart verstanden, dass sie damit auf eine direkte und/oder indirekte Art kommunizieren, assoziiert sind oder darauf basieren, sofern hier nichts anderes angegeben ist.
Obwohl die Verfahren und Systeme relativ zu einer spezifischen Ausführungsform davon beschrieben wurden, sind sie nicht darauf beschränkt. Natürlich können gegen den Hintergrund der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen ersichtlich werden. Viele zusätzliche Änderungen der Einzelheiten, Materialien und Anordnung von Teilen, die hier beschrieben und veranschaulicht werden, können von dem Fachmann ausgeführt werden.

Claims

Treiberschaltung zum Ansteuern einer Festkörperlichtquelle, die Folgendes aufweist: eine Gleichrichterschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Eingangswechselspannung zu empfangen und eine unregulierte Gleichspannung bereitzustellen; ein mit der Gleichrichterschaltung gekoppeltes Energiespeicherelement; einen Schalter, wobei der Schalter so eingerichtet ist, dass er sich schließt, um einen Teil der unregulierten Gleichspannung an das Energiespeicherelement zu koppeln, und wobei der Schalter so eingerichtet ist, dass er sich öffnet, um Energie aus dem Energiespeicherelement zu übertragen, um eine DC-Ausgangsspannung bereitzustellen, um die Festkörperlichtquelle anzutreiben; eine Leistungsfaktorreglerschaltung, die dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Schalters bereitzustellen; eine mit der Gleichrichterschaltung gekoppelte Stromableitschaltung, wobei die Stromableitschaltung dazu eingerichtet ist, der Leistungsfaktorreglerschaltung eine Versorgungsspannung innerhalb eines nominalen Betriebsbereichs bereitzustellen und einen mit der Eingangswechselspannung assoziierten Stromfluss aufrechtzuerhalten, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; eine Konstant-Aus-Zeitreglerschaltung, die dazu eingerichtet ist, der Leistungsfaktorreglerschaltung ein Umschaltfrequenzsteuersignal bereitzustellen; und ein EMI-Filter (EMI – elektromagnetische Interferenz), das dazu eingerichtet ist, von der Treiberschaltung erzeugte EMI-Störungen zu reduzieren.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Schwelle auf einer nominalen Betriebsstromanforderung einer Dimmerschaltung zur Reduzierung eines Flackerns der Festkörperlichtquelle basiert.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, die ferner eine Leiterplatte (PCB) umfasst, auf der die Treiberschaltung angeordnet ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 3, wobei die Leiterplatte einen Durchmesser aufweist, der 1,25 Zoll nicht überschreitet.
Treiberschaltung nach Anspruch 3, wobei das Energiespeicherelement und das EMI-Filter auf der Leiterplatte derart angeordnet sind, dass zwischen dem Energiespeicherelement und dem EMI-Filter ein Abstand bereitgestellt ist, der eine voreingestellte Schwelle überschreitet.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei das Energiespeicherelement ein Induktor ist, und wobei der Induktor mit einem Ferritmaterial abgeschirmt ist.
Festkörperlichtquellenlampenanordnung, die Folgendes aufweist: ein Gehäuse; eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Festkörperlichtquelle; und einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Treiber, wobei der Treiber Folgendes aufweist: eine Gleichrichterschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Eingangswechselspannung zu empfangen und eine unregulierte Gleichspannung bereitzustellen; ein mit der Gleichrichterschaltung gekoppeltes Energiespeicherelement; einen Schalter, wobei der Schalter so eingerichtet ist, dass er sich schließt, um einen Teil der unregulierten Gleichspannung an das Energiespeicherelement zu koppeln, und wobei der Schalter so eingerichtet ist, dass er sich öffnet, um Energie aus dem Energiespeicherelement zu übertragen, um eine DC-Ausgangsspannung bereitzustellen, um die Festkörperlichtquelle anzutreiben; eine Leistungsfaktorreglerschaltung, die dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Schalters bereitzustellen; eine mit der Gleichrichterschaltung gekoppelte Stromableitschaltung, wobei die Stromableitschaltung dazu eingerichtet ist, der Leistungsfaktorreglerschaltung eine Versorgungsspannung innerhalb eines nominalen Betriebsbereichs bereitzustellen und einen mit der Eingangswechselspannung assoziierten Stromfluss aufrechtzuerhalten, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; eine Konstant-Aus-Zeitreglerschaltung, die dazu eingerichtet ist, der Leistungsfaktorreglerschaltung ein Umschaltfrequenzsteuersignal bereitzustellen; und ein EMI-Filter (EMI – elektromagnetische Interferenz), das dazu eingerichtet ist, von der Treiberschaltung erzeugte EMI-Störungen zu reduzieren.
Festkörperlichtquellenlampenanordnung nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmte Schwelle auf einer nominalen Betriebsstromanforderung einer Dimmerschaltung zur Reduzierung eines Flackerns der Festkörperlichtquelle basiert.
Festkörperlichtquellenlampenanordnung nach Anspruch 7, die ferner eine Leiterplatte (PCB) umfasst, auf der die Treiberschaltung angeordnet ist.
Festkörperlichtquellenlampenanordnung nach Anspruch 9, wobei die Leiterplatte einen Durchmesser aufweist, der 1,25 Zoll nicht überschreitet.
Festkörperlichtquellenlampenanordnung nach Anspruch 9, wobei das Energiespeicherelement und das EMI-Filter auf der Leiterplatte derart angeordnet sind, dass zwischen dem Energiespeicherelement und dem EMI-Filter ein Abstand bereitgestellt ist, der eine voreingestellte Schwelle überschreitet.
Festkörperlichtquellenlampenanordnung nach Anspruch 7, wobei das Energiespeicherelement ein Induktor ist, und wobei der Induktor mit einem Ferritmaterial abgeschirmt ist.
Verfahren zum Ansteuern einer Festkörperlichtquelle, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Empfangen eines AC-Eingangssignals; Aufrechterhalten eines mit dem AC-Eingangssignal assoziierten Stromflusses, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; Umwandeln des AC-Eingangssignals in einen regulierten DC-Ausgang; Regeln eines Leistungsfaktors des regulierten DC-Ausgangs unter Verwendung einer Leistungsfaktorreglerschaltung; Filtern von EMI, welches durch die Umwandlung erzeugt wird; und Koppeln des regulierten DC-Ausgangs an die Festkörperlichtquelle.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Umwandeln das Betreiben eines Schalters zur Bestromung eines Induktors enthält, der dazu eingerichtet ist, an die Festkörperlichtquelle gekoppelt zu werden, und wobei das Regeln des Leistungsfaktors das Ansteuern des Schalters enthält.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Umwandeln das Betreiben eines Schalters zur Bestromung eines Induktors enthält, der dazu eingerichtet ist, an die Festkörperlichtquelle gekoppelt zu werden, wobei der Induktor mit einem Ferritmaterial abgeschirmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Aufrechterhalten das Aufrechterhalten eines mit dem AC-Eingangssignal assoziierten Stromflusses enthält, wobei der Stromfluss eine vorbestimmte Schwelle auf Basis einer nominalen Betriebsstromanforderung einer Dimmerschaltung zum Reduzieren eines Flackerns der Festkörperlichtquelle überschreitet.