DE112017000699B4

DE112017000699B4 - Festkörper-Leuchte mit Ultraniedrigdimmfähigkeiten und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE112017000699B4
Application number: DE112017000699.6T
Authority: DE
Inventors: Yuequan Hu; Qingcong Hu
Original assignee: Cree Lighting Usa N D Ges D Staates Delaware LLC; Cree Lighting Usa NDGesD Staates Delaware LLC
Current assignee: Cree Lighting USA LLC
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2037-02-09
Also published as: US20170231045A1; WO2017139298A1; DE112017000699T5; US9730289B1

Abstract

Festkörper-Leuchte (300), umfassend:eine Leuchtdioden-(LED)-Last (350);einen Aufwärts-Leistungsfaktorkorrektur-Wandler (40), der einen ersten Schalter (44) enthält;eine Treiberschaltung (10), die der LED-Last (350) einen Treiberstrom zuführt, wobei die Treiberschaltung (10) eine erste Stromregelschaltung (120), die einen zweiten Schalter enthält, und eine zweite Stromregelschaltung (130) enthält, die einen dritten Schalter enthält, der mit der LED-Last (350) elektrisch verbunden ist; undeine Steuerschaltung (140), die konfiguriert ist, wahlweise eine der ersten und zweiten Stromregelschaltungen (120, 130) einzuschalten, um den Treiberstrom zu regeln,wobei die zweite Stromregelschaltung (130) einen Linearstromregler (370) aufweist,wobei der Linearstromregler (370) einen ersten Schalter enthält, der in Reihe zwischen der LED-Last (350) und einer Referenzspannung (Vs) verbunden ist,wobei der Linearstromregler (370) einen Verstärker mit einem Ausgang enthält, der einen Betrag des durch den ersten Schalter fließenden Stroms steuert, um den durch die LED-Last fließenden Strom zu regeln,wobei der Linearstromregler (370) außerdem einen zweiten Schalter enthält, der in Reihe zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Referenzspannung (Vs) verbunden ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anwendung bezieht sich allgemein auf Festkörper-Leuchten und insbesondere auf dimmbare Festkörper-Leuchten und zugehörige Treiberschaltungen und Verfahren.
HINTERGRUND
Wie dem Fachmann bekannt ist, ist eine Leuchtdiode (LED) ein Halbleiterbauelement, das einen oder mehrere p-n-Übergänge enthält. LEDs leuchten, wenn Strom durch ihre p-n-Übergänge fließt. Die Helligkeit und Energieeffizienz des von einer LED emittierten Lichts können in direktem Zusammenhang mit dem Betrag des durch den p-n-Übergang der LED fließenden Betriebsstroms oder „Treiberstroms“ stehen. Typischerweise ist eine LED so ausgelegt, dass sie bei einem Treiberstrom-Pegel arbeitet, der sowohl hohe Helligkeit als auch hohe Energieeffizienz liefert. LED-basierte Festkörper-Leuchten enthalten Treiberschaltungen, die den Treiberstrom für die LEDs liefern.
Anfänglich wurden LEDs vor allem in Spezialbeleuchtungsanwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel als Hintergrundbeleuchtung und/oder Anzeigelampen in elektronischen Geräten. Da sich die Lichtleistung und Energieeffizienz von LEDs verbessert hat, hat man LEDs zur Herstellung von Festkörper-Leuchten wie zum Beispiel LED-basierten Glühbirnen, Einbauleuchten, Straßenleuchten und dergleichen verwendet. Diese LED-basierten Festkörper-Leuchten ersetzen zunehmend konventionelle Glüh- und Leuchtstofflampen in zahlreichen Anwendungen einschließlich Allgemeinbeleuchtungsanwendungen wie zum Beispiel Beleuchtung für Wohnungen und Büros. Diese Festkörper-Leuchten erzeugen weniger Wärme, sind wesentlich energieeffizienter und haben wesentlich längere Lebensdauer als Glühlampen. LED-basierte Festkörper-Leuchten zeigen zudem zahlreiche Vorteile gegenüber Leuchtstofflampen, einschließlich besserer Energieeffizienz, schnelleren Einschalten, besserer Dimmbarkeit und längerer Lebensdauer. LED-basierte Festkörper-Leuchten können auch ästhetisch ansprechenderes Licht erzeugen als Leuchtstofflampen und enthalten kein Quecksilber.
US 2013/0278145 A1 betrifft eine Dimmersteuerung für eine LED-Treiberschaltung. US 2003/0214242 A1 betrifft eine Schaltung zur Dimmung von LED-Matrix-Beleuchtungen in Avionik-Displays. US 2011/0080110 A1 betrifft eine LED-Treiberschaltung mit Pulsweitenmodulation oder Strombegrenzung zur Dimmung. US 2011/0193488 A1 betrifft eine LED-Treiberschaltung, die als Eingang ein Signal eines Phasenabschnittdimmers verarbeitet. US 2015/0319817 A1 betrifft eine Lastvorrichtung zur Steuerung der Intensität einer Leuchtdiode.
Es werden Festkörper-Leuchten bereitgestellt, die eine Leuchtdioden-(LED)-Last und eine Treiberschaltung enthalten, die der LED-Last als Antwort auf ein Dimmsteuersignal wahlweise eines von einem Schaltmodus-Treiberstrom und einem Linearmodus-Treiberstrom zuführt.
Die Treiberschaltung kann eine erste Stromregelschaltung, die konfiguriert ist, der LED-Last den Schaltmodus-Treiberstrom zuzuführen, und eine zweite Stromregelschaltung enthalten, die konfiguriert ist, der LED-Last den Linearmodus-Treiberstrom zuzuführen. Die zweite Stromregelschaltung kann einen ersten Schalter enthalten, durch der Linearmodus-Treiberstrom kontinuierlich fließt, wenn die zweite Stromregelschaltung aktiviert ist.
Der erste Schalter kann in Reihe zwischen der LED-Last und einem Stromfühlwiderstand verbunden sein.
Die zweite Stromregelschaltung kann einen Verstärker mit einem Ausgang enthalten, der einen Betrag des durch den ersten Schalter fließenden Stroms steuert, um den durch die LED-Last fließenden Strom zu regeln.
Die zweite Stromregelschaltung kann außerdem einen zweiten Schalter enthalten, der in Reihe zwischen dem Ausgang des Verstärkers und Masse verbunden ist.
Der Verstärker kann einen ersten Eingang haben, der ein Signal, das proportional zu einem durch die LED-Last fließenden Strom ist, und ein zweites Signal, das proportional zu einem Referenzstrompegel für die LED-Last ist, empfängt.
Ein dritter Schalter, der in der ersten Stromregelschaltung enthalten sein kann, kann konfiguriert sein, der LED-Last den Schaltmodus-Treiberstrom zuzuführen, wenn die erste Stromregelschaltung aktiviert ist, und die erste Stromregelschaltung zu deaktivieren, wenn die zweite Stromregelschaltung aktiviert ist.
Die Treiberschaltung kann außerdem eine Gleichrichterschaltung, die konfiguriert ist, eine Eingangswechselspannung gleichzurichten, einen Aufwärts-Leistungsfaktorkorrektur-Wandler, der mit einem Ausgang des Gleichrichters verbunden ist, und einen Abwärtswandler enthalten, der mit einem Ausgang des Aufwärts-Leistungsfaktorkorrektur-Wandlers verbunden ist. In so einer Ausführungsform kann die erste Stromregelschaltung Teil des Abwärtswandlers sein.
Die zweite Stromregelschaltung kann in Reihe mit dem Ausgang der LED-Last verbunden sein.
Die Treiberschaltung kann eine Steuerschaltung enthalten, die konfiguriert ist, als Antwort darauf, dass das Dimmsteuersignal einen Wert hat, der angibt, die Festkörper- Leuchte unter einen vorgewählten Pegel zu dimmen, die erste Stromregelschaltung auszuschalten und die zweite Stromregelschaltung einzuschalten.
Die erste Stromregelschaltung kann einen ersten Widerstand enthalten, der in Reihe mit dem dritten Schalter verbunden ist, und die zweite Stromregelschaltung kann einen ersten Schalter und einen zweiten Widerstand enthalten, die in Reihe mit der LED-Last verbunden sind.
Der zweite Widerstand kann mindestens zwei Größenordnungen größer sein als der erste Widerstand.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Festkörper-Leuchten bereitgestellt, die eine LED-Last, einen Aufwärts-Leistungsfaktorkorrektur-Wandler mit einem ersten Schalter, eine Treiberschaltung, die der LED-Last einen Treiberstrom zuführt, wobei die Treiberschaltung eine erste Stromregelschaltung mit einem zweiten Schalter und eine zweite Stromregelschaltung mit einem dritten Schalter, der mit der LED-Last elektrisch verbunden ist, enthält, und eine Steuerschaltung enthalten, die konfiguriert ist, wahlweise eine der ersten und zweiten Stromregelschaltungen einzuschalten, um den Treiberstrom zu regeln.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung konfiguriert sein, als Antwort darauf, dass das Dimmsteuersignal einen Wert hat, der angibt, die Festkörper-Leuchte unter einen vorgewählten Pegel zu dimmen, wahlweise die zweite Stromregelschaltung einzuschalten und die erste Stromregelschaltung auszuschalten.
Die zweite Stromregelschaltung enthält einen Linearstromregler. Der Linearstromregler enthält einen ersten Schalter, der in Reihe zwischen der LED-Last und einer Referenzspannung verbunden ist. Der Linearstromregler enthält auch einen Verstärker mit einem Ausgang, der den Betrag des durch den ersten Schalter fließenden Stroms steuert, um den durch die LED-Last fließenden Strom zu regeln. Der Verstärker kann zum Beispiel einen ersten Eingang haben, der ein Signal, das proportional zu einem durch die LED-Last fließenden Strom ist, und ein zweites Signal, das proportional zu einem Referenzstrompegel für die LED-Last ist, empfängt. Der Linearstromregler enthält außerdem einen zweiten Schalter, der in Reihe zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Referenzspannung verbunden ist.
In manchen Ausführungsformen kann die erste Stromregelschaltung eine Schaltmodus-Stromregelschaltung sein.
In manchen Ausführungsformen kann ein in der ersten Stromregelschaltung enthaltener Schalter konfiguriert sein, der LED-Last einen Schaltmodus-Treiberstrom zuzuführen, wenn die erste Stromregelschaltung aktiviert ist, und die erste Stromregelschaltung zu deaktivieren, wenn die zweite Stromregelschaltung aktiviert ist.
In manchen Ausführungsformen kann die Treiberschaltung außerdem einen Aufwärts-Leistungsfaktorkorrektur-Wandler mit einem ersten Schalter, eine Treiberschaltung, die der LED-Last einen Treiberstrom zuführt, wobei die Treiberschaltung eine erste Stromregelschaltung mit einem zweiten Schalter und eine zweite Stromregelschaltung mit einem dritten Schalter, der elektrisch mit der LED-Last verbunden ist, enthält, und eine Steuerschaltung enthalten, die konfiguriert ist, wahlweise eine der ersten und zweiten Stromregelschaltungen einzuschalten, um den Treiberstrom zu regeln.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung konfiguriert sein, als Antwort auf ein Dimmsteuersignal wahlweise eine der ersten und zweiten Stromregelschaltungen einzuschalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Dimmen einer Festkörper-Leuchte mit einer LED-Last bereitgestellt. Gemäß diesen Verfahren wird ein Treiberstrom mit einem ersten mittleren Strompegel über eine erste Schaltmodus-Stromregelschaltung der LED-Last zugeführt. Ein Treiberstrom mit einem zweiten mittleren Strompegel, der kleiner als der erste mittlere Strompegel ist, wird dann unter Verwendung eines Linearstromreglers der LED-Last zugeführt.
In manchen Ausführungsformen kann der zweite mittlere Strompegel mindestens 90 % kleiner sein als der erste mittlere Strompegel. In manchen Ausführungsformen kann der zweite mittlere Strompegel mindestens 99 % kleiner sein als der erste mittlere Strompegel.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung als Antwort auf ein Dimmsteuersignal, das einen Wert hat, der angibt, die Festkörper-Leuchte unter einen vorgewählten Pegel zu dimmen, der LED-Last unter Verwendung des Linearstromreglers den Treiberstrom mit dem zweiten mittleren Strompegel zuführen.
Der Linearstromregler enthält einen ersten Schalter, der in Reihe zwischen der LED-Last und einer Referenzspannung verbunden ist. Der Linearstromregler enthält einen Verstärker mit einem Ausgang, der einen Betrag des durch den ersten Schalter fließenden Stroms steuert, um den durch die LED-Last fließenden Strom zu regeln. Der Linearstromregler enthält außerdem einen zweiten Schalter, der in Reihe zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Referenzspannung verbunden ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Treiberschaltungen bereitgestellt, die eine erste Stromregelschaltung, die konfiguriert ist, einer Last einen Schaltmodus-Treiberstrom zuzuführen, eine zweite Stromregelschaltung, die konfiguriert ist, der Last einen Linearmodus-Treiberstrom zuzuführen, wobei die zweite Stromregelschaltung einen ersten Schalter enthält, durch den die Linearmodus-Treiberschaltung kontinuierlich fließt, wenn die zweite Stromregelschaltung aktiviert ist, und eine Steuerschaltung enthalten, die der Last als Antwort auf ein Steuersignal wahlweise eines von dem Schaltmodus-Treiberstrom und dem Linearmodus-Treiberstrom zuführt.
In manchen Ausführungsformen kann das Steuersignal ein Dimmsteuersignal sein.
In manchen Ausführungsformen kann die Festkörper-Leuchte einen Bildsensor enthalten, der konfiguriert ist, ein Bild eines von der LED-Last beleuchteten Objekts zu erkennen.
Eine Festkörper-Leuchte kann eine Leuchtdioden-(LED)-Last enthalten, einen Aufwärts-Leistungsfaktorkorrektur-Wandler, der einen ersten Schalter enthält und der LED-Last einen Treiberstrom zuführt, einen Linearregler, der mit der LED-Last verbunden ist und konfiguriert ist, einen Pegel des Treiberstroms zu regeln, und eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, den Linearregler als Antwort auf ein Dimmsteuersignal den Treiberstrom regeln zu lassen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher. In den Zeichnungen und der Beschreibung beziehen sich gleiche Zahlen auf gleichen Elemente.

1 ist ein Schaltplan einer konventionellen Treiberschaltung mit Dimmfähigkeiten.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Festkörper-Leuchte gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Festkörper-Leuchte gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Festkörper-Leuchte gemäß zusätzlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Schaltplan einer Treiberschaltung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Schaltplan einer Treiberschaltung gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
7A-7D sind schematische Perspektivdiagramme, die Beispiel-Festkörper-Leuchten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Dimmen einer Festkörper-Leuchte gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
9 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Festkörper-Leuchte gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Graph, der den Einfluss einer Steuerspannung auf den Betrieb der Festkörper-Leuchte von 9 veranschaulicht.
11A und 11B sind Prinzipskizzen, die Festkörper-Leuchten gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulichen, die einen Bildsensor enthalten oder die in Verbindung mit einem Bildsensor arbeiten.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Festkörper-Leuchten mit Ultraniedrigdimmfähigkeiten sowie zugehörige Treiberschaltungen, die in oder in Verbindung mit diesen Festkörper-Leuchten verwendet werden können, bereitgestellt. Die Treiberschaltungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen arbeiten in einem von einem Schaltmodus für Normalbetrieb oder moderates Dimmen und einem Linearmodus für ultraniedriges Dimmen. Während normalem oder moderatem Dimmbetrieb kann der Linearstromregler von der LED-Last entkoppelt oder auf andere Weise derart betrieben werden, dass der Leistungsverlust im Linearstromregler reduziert wird. In manchen Ausführungsformen kann der Linearstromregler wahlweise aktiviert werden, um Dimmen mit ultraniedrigem Pegel zu ermöglichen.
Die in den Festkörper-Leuchten enthaltenen Treiberschaltungen haben gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Stromregelschaltung, die in (mindestens) zwei verschiedenen Betriebsarten arbeitet. Insbesondere kann die Stromregelstufe der Treiberschaltungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entweder in einem Schaltmodus für Normalbetrieb und moderates Dimmen oder in einem Linearmodus für ultraniedriges Dimmen arbeiten. Im Schaltmodus kann eine Steuerschaltung der Treiberschaltung einen ersten Schalter steuern, der mit einer hohen Frequenz (z. B. 20 kHz bis einige hundert kHz) ein- und ausschaltet, um den der LED-Last (die eine oder mehrere LEDs aufweisen kann) zugeführten Strom zu regeln. Der von einer im Schaltmodus arbeitenden Stromregelstufe gelieferte Treiberstrom wird hierin als Schaltmodus-Treiberstrom bezeichnet. Im Linearmodus kann die Steuerschaltung einen zweiten Schalter steuern, der Teil eines Linearstromreglers ist, um den Treiberstrom zu regeln, der der LED-Last zugeführt wird. Der von einem Linearstromregler bereitgestellte Treiberstrom wird hierin als Linearmodus-Treiberstrom bezeichnet. Der Linearmodus kann verwendet werden, wenn die Festkörper-Leuchte auf niedrige oder ultraniedrige Werte gedimmt wird. Wie weiter unten näher erläutert wird, kann durch Konfigurieren der Treiberschaltung für die Festkörper-Leuchte, wahlweise in einer von zwei verschiedenen Betriebsarten zu arbeiten, hohe Energieeffizienz während Betrieb mit voller Leistung und während moderatem Dimmen, wenn die Stromregelstufe in einer ersten Betriebsart arbeitet, erreicht werden. Wenn die Stromregelstufe in einer zweiten Betriebsart betrieben wird, können die Leuchten auf ultraniedrige Pegel gedimmt werden, während sie dennoch eine gleichmäßige und stabile Lichtleistung liefern. Ultraniedriges Dimmen kann zum Beispiel verwendet werden, wenn die Festkörper-Leuchten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Bildsensor, einer Kamera oder einem anderen Sensorgerät arbeiten.
Konventionelle Hochleistungs-Treiberschaltungen für Festkörper-Leuchten haben Stromregelstufen, die konfiguriert sind, in einem Schaltmodus zu arbeiten, um den Leistungsverlust zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu verbessern. Leider kann es aufgrund der Schaltcharakteristik dieser Schaltungen dazu kommen, dass der Treiberstrom zur LED-Last und damit die Lichtleistung der LED-Last während Dimmen auf niedrige Pegel instabil wird, was unästhetisch sein kann und/oder für menschliche Betrachter unangenehm ist.
1 ist ein Schaltplan einer konventionellen Treiberschaltung 10 für eine Festkörper-Leuchte. Wie in 1 gezeigt, enthält die Treiberschaltung 10 eine Wechselspannungsquelle-(AC) 12, einen Aufwärts-Leistungsfaktorkorrektur-(PFC)-Controller 14, einen Abwärts-Controller 16 und einen Dimm-Controller 18. Die Treiberschaltung 10 enthält außerdem einen EMI-Filter 24, einen Brückengleichrichter 30, einen Aufwärts-PFC-Wandler 40 und einen Abwärtswandler 60. Die Treiberschaltung 10 führt einer LED-Last 20, die in 1 beispielhaft als ein Paar in Reihe angeordnete LEDs 22 aufweisend dargestellt ist, einen Treiberstrom zu. Obwohl die LED-Last 20 in 1 dargestellt ist, um die Erläuterung des Betriebs der Treiberschaltung 10 zu erleichtern, ist zu beachten, dass die LEDs 22, die die LED-Last 20 bilden, nicht Teil der Treiberschaltung 10 sind, sondern statt dessen die Last aufweisen, die von der Treiberschaltung 10 angesteuert wird.
Die Wechselspannungsquelle 12 kann zum Beispiel eine Standard-120-V-Steckdose aufweisen. Man beachte jedoch, dass mannigfache Wechselspannungsquellen 12 verwendet werden können, wie zum Beispiel Wechselspannungsquellen, die Wechselspannungen im Bereich von 100 V bis 277 V oder höher ausgeben. Die Treiberschaltung 10 wandelt die von der Wechselspannungsquelle 12 kommende Wechselspannung in eine Gleichspannung (DC) um, die zum Speisen der LED-Last 20 geeignet ist.
Der EMI-Filter 24 dient zum Herausfiltern von hochfrequentem Rauschen, das im Leistungsausgangswechselstrom der Wechselspannungsquelle 12 vorhanden sein kann, und von Rauschen, das von der Treiberschaltung 10 erzeugt wird. Der EMI-Filter 24 kann zum Beispiel hochfrequente Rauschkomponenten, die auf den Leitern der Wechselspannungsquelle 12 befördert werden, nach Masse umleiten. EMI-Filter sind in der Technik bekannt und werden daher hier nicht näher beschrieben.
Die Brückengleichrichterschaltung 30 umfasst eine Reihe von Dioden 32, 34, 36, 38, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind, wie in 1 gezeigt. Die Brückengleichrichterschaltung 30 gleichrichtet den Ausgangswechselstrom der Wechselspannungsquelle 12, um eine Gleichspannung am Ausgang des Brückengleichrichters 30 bereitzustellen. Brückengleichrichterschaltungen sind ebenfalls in der Technik bekannt und werden daher hier nicht näher beschrieben.
Die von der Brückengleichrichterschaltung 30 ausgegebene Gleichspannung (V_REC) ist die Eingangsgröße für den Aufwärts-PFC-Wandler 40. Der Aufwärts-PFC-Wandler 40 enthält eine Induktivität 42, einen Schalter 44, eine Diode 46, einen Kondensator 48 und einen Widerstand 50. Der Aufwärts-PFC-Wandler 40 arbeitet als ein Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Stromrichter, der eine Gleichspannung, die von der Brückengleichrichterschaltung 30 zugeführt wird, in eine höhere Gleichspannung V_B umwandelt, die vom Aufwärts-PFC-Wandler 40 ausgegeben wird. Da der Aufwärts-PFC-Wandler 40 die Spannung erhöht, muss der Ausgangsstrom des Aufwärts-PFC-Wandlers 40 gegenüber dem Eingangsstrom notwendigerweise reduziert sein, da die Leistung (P = V*I) erhalten bleiben muss.
Der Schalter 44 kann zum Beispiel einen MOSFET-Transistor 44 aufweisen. Der Aufwärts-PFC-Controller 14 führt dem Gate des MOSFET 44 ein Steuersignal zu, um den Transistor ein- und auszuschalten. Wenn der MOSFET 44 eingeschaltet ist (d. h. der Schalter 44 ist geschlossen), fließt im Uhrzeigersinn Strom durch die Induktivität 42, und die Induktivität 42 speichert Energie durch Erzeugung eines Magnetfeldes. Wenn der MOSFET 44 ausgeschaltet ist (d. h. der Schalter 44 ist geöffnet), ist der einzige Weg für den Strom durch die Rücklauf-Diode 46, und daher wird der Kondensator 48 geladen, wenn der MOSFET 44 ausgeschaltet ist. Es gibt zwei PFC-Betriebsarten, nämlich eine Betriebsart Kontinuierliche Leitung (CCM) und eine Betriebsart Diskontinuierliche Leitung (DCM). In der Betriebsart CCM wird der Schalter 44 so schnell zwischen seinen Ein- und Ausschaltzuständen hin und her geschaltet, dass sich die Induktivität 42 während jeder Zeitspanne, in der der Schalter 44 ausgeschaltet (geöffnet) ist, nicht vollständig entlädt. In der Betriebsart DCM sinkt der Strom der Induktivität 42 während jeder Zeitspanne, in der der Schalter 44 ausgeschaltet (geöffnet) ist, immer auf null (d. h. die Induktivität 42 wird vollständig entladen). Wenn der Schalter 44 ausgeschaltet ist, erscheint die von der Brückengleichrichterschaltung 30 und der Induktivität 42 ausgegebene Gleichspannung als zwei Spannungsquellen in Reihe, wodurch der Kondensator 48 auf eine höhere Spannung als die Gleichspannung V_REC geladen werden kann, die von der Brückengleichrichterschaltung 30 ausgegeben wird. Wenn der Schalter 44 durch Einschalten des MOSFET 44 geschlossen wird, wird die von der Brückengleichrichterschaltung 30 ausgegebene Gleichspannung an die Induktivität 42 angelegt, und die Diode 46 wird sperrvorgespannt. Somit fließt kein Strom von der Brückengleichrichterschaltung 30 zum Ausgang des Aufwärts-PFC-Wandlers 40, und der Kondensator 48 führt die Spannung und den Strom dem Ausgang des Aufwärts-PFC-Wandlers 40 zu. Der Kondensator 48 wird neu geladen, wenn der Schalter 44 das nächste Mal auf die oben beschriebene Weise geöffnet wird. Durch Steuerung der Frequenz und/oder des Tastverhältnisses, mit dem der Schalter 44 ein- und ausgeschaltet wird, kann der Aufwärts-PFC-Controller 14 die Ausgangsspannung des Aufwärts-PFC-Wandlers 40 (d. h. die Spannung am Kondensator 48) regeln. Der Aufwärts-PFC-Wandler 40 ermöglicht auch Leistungsfaktorkorrektur, indem er den Eingangsstrom so formt, dass er der Form der von der Wechselspannungsquelle 12 gelieferten Eingangswechselspannung folgt. Der Aufwärts-PFC-Wandler 40 kann einen hohen Leistungsfaktorkorrekturpegel (größer als 0,9) und eine geringe Gesamtharmonikverzerrung (kleiner als 20 %) erreichen.
Der Aufwärts-PFC-Controller 14 kann als Eingangsgrößen Spannungen V₁, V_REC und V_B empfangen. Die Spannung V₁ ist der Spannungsabfall am Widerstand 50, mit dem der durch den Schalter 44 fließende Strom gefühlt werden kann. Die Spannung V_REC ist die Spannung am Ausgang der Brückengleichrichterschaltung 30. Die Spannung V_B ist die Spannung am Ausgang des Aufwärts-PFC-Wandlers 40. Mittels dieser Spannungen kann der PFC-Wandler 14 die Frequenz und/oder das Tastverhältnis einstellen, mit dem der Schalter 44 ein- und ausgeschaltet wird, um die Ausgangsspannung V_B auf einem gewünschten Pegel zu halten und dabei auch ein hohes Maß an Leistungsfaktorkorrektur zu erreichen. Ein handelsüblicher Controller von ST Microelectronics (Artikelnummer L6564) kann zur Implementierung des Aufwärts-PFC-Controllers 14 verwendet werden.
Der Abwärtswandler 60 regelt den der LED-Last 20 zugeführten Treiberstrom. Die Ausgangsgleichspannung des Aufwärts-PFC-Wandlers 40 wird an den Eingang in den Abwärtswandler 60 angelegt. Der Abwärtswandler 60 enthält eine Diode 62, einen Kondensator 64, einen ersten Widerstand 66, eine Induktivität 68, einen Schalter 70, einen zweiten Widerstand 72 und einen Stromwächter 74. Der Schalter 70 dient zur Regelung des Treiberstroms, der der LED-Last 20 zugeführt wird, wie im Folgenden näher erläutert wird. Der Schalter 70 kann zum Beispiel einen MOSFET-Transistor 70 aufweisen. Der Abwärts-Controller 16 führt dem Gate des MOSFET 70 ein Steuersignal V_GS zu, um den MOSFET 70 ein- und auszuschalten. Der erste Widerstand 66 und die Induktivität 68 sind in Reihe mit dem Ausgang der LED-Last 20 verbunden, und der Kondensator 64 ist parallel an die LED-Last 20 angeschlossen.
Der Schalter 70 wird ein- und ausgeschaltet, um den durch die LED-Last 20 fließenden Treiberstrom zu regeln. Insbesondere fühlt der Stromwächter 74 den durch die LED-Last 20 fließenden Strom. Der Kondensator 64 hält die Spannung an der LED-Last relativ konstant und führt damit der LED-Last 20 einen relativ konstanten Strom zu und filtert Wechselstromkomponenten im Treiberstrom aus. Die Diode 62 stellt einen Strompfad bereit, der es erlaubt, die in der Induktivität 68 gespeicherte Energie an die LED-Last 20 abzugeben.
Der Stromwächter 74 ist quer über den ersten Widerstand 66 angeschlossen und gibt ein Signal aus, das den durch die LED-Last 20 fließenden Strom widerspiegelt. In der gezeigten Ausführungsform gibt der Stromwächter 74 ein Spannungssignal V₃ aus, das den Spannungsabfall am ersten Widerstand 66 widerspiegelt. Da der Wert des ersten Widerstands 66 bekannt ist, kann der Last-Strom über das Ohm'sche Gesetz direkt aus dem Spannungsabfall V₃ berechnet werden. Der zweite Widerstand 72 ist zwischen dem Schalter 70 und einer Referenzspannung (z. B. Masse) verbunden. Die Spannung V₂ an der Verbindung zwischen dem Schalter 70 und dem zweiten Widerstand 72 spiegelt den Spannungsabfall am zweiten Widerstand 72 wider und kann somit zur Messung des durch den Schalter 70 fließenden Stroms verwendet werden.
Der Abwärtswandler 60 kann wie folgt arbeiten. Das vom Aufwärts-PFC-Wandlers 40 ausgegebene Gleichstromsignal führt der LED-Last 20 einen Strom zu. Der Abwärts-Controller 16 regelt den durch die LED-Last 20 fließenden Strom, indem er den Strom durch die LED-Last 20 (dargestellt durch die Spannung V₃) und den Strom durch den Schalter 70 (dargestellt durch die Spannung V₂) fühlt. Der Abwärts-Controller 16 gibt ein Signal V_GS an das Gate des MOSFET 70 aus, um den Strom durch die LED-Last 20 zu regeln. Wenn das an das Gate des MOSFET 70 angelegte Signal V_GS hoch ist, wird der MOSFET 70 eingeschaltet (d. h. der Schalter 70 wird geschlossen), und es fließt Strom vom Aufwärts-PFC-Wandler 40 durch die LED-Last 20, durch den ersten Widerstand 66 und die Induktivität 68 und dann durch den Schalter 70. Die Induktivität 68 speichert Energie, indem sie während dieser Zeitspannen ein Magnetfeld erzeugt. Wenn das an das Gate des MOSFET 70 angelegte Signal V_GS auf niedrig gebracht wird, wird der MOSFET 70 ausgeschaltet (d. h. der Schalter 70 wird geöffnet), und die Induktivität 68 entlädt sich durch die Diode 62, um den Stromfluss durch die LED-Last 20 aufrechtzuerhalten. In einer Betriebsart CCM mit fester Schaltfrequenz vergleicht ein Komparator im Abwärts-Controller 16 das Signal V₂ mit einem Fehlersignal. Das Fehlersignal kann das Ergebnis eines Vergleichs des Signals V₃ mit einer Referenzspannung sein, die einen gewünschten Treiberstrompegel für die LED-Last 20 widerspiegelt. Erreicht das Signal V₂ den Fehlersignalpegel, wird das Steuersignal V_GS heruntergezogen und wird der Schalter 70 ausgeschaltet (geöffnet). Wenn der nächste Schaltzyklus startet, wird das Steuersignal V_GS auf hoch gesetzt und wird der Schalter 70 wieder eingeschaltet. Ein handelsüblicher Controller von Texas Instruments (Artikelnummer UC3843) kann verwendet werden, um den Abwärts-Controller 16 in der Betriebsart CCM zu implementieren. Wenn der Abwärts-Controller 16 in einer kritischen Betriebsart CCM/DCM betrieben wird, wird der Schalter 70 in dem Moment eingeschaltet, in dem der Strom der Induktivität 68 auf null sinkt. Erreicht das Signal V₂ den Fehlersignalpegel (ein Vergleich des Signals V₃ mit einer Referenzspannung, die einen gewünschten Treiberstrompegel für die LED-Last 20 widerspiegelt), wird das Steuersignal V_GS heruntergezogen und wird der Schalter 70 ausgeschaltet (geöffnet). Zur Implementierung des Abwärts-Controllers 16 kann ein handelsüblicher Controller von Texas Instruments (Artikelnummer UCC28811D) oder ein handelsüblicher Controller von ST Microelectronics (Artikelnummer L6564) verwendet werden. In einer kritischen Betriebsart CCM/DCM variiert die Schaltfrequenz des Schalters 70, d. h. sie steigt mit abnehmendem Strom durch die LED-Last 20 und umgekehrt.
Die Fähigkeit, eine Festkörperleuchte zu dimmen, kann in verschiedenen Anwendungen sehr wichtig sein, einschließlich allgemeiner Beleuchtung und Spezialbeleuchtungsanwendungen im Heim. In manchen Anwendungen kann auch niedriges und/oder ultraniedriges Dimmen gewünscht oder notwendig sein, entweder wegen Verbrauchervorlieben oder derart, dass die Leuchte in Verbindung mit einem internen oder externen Sensor wie zum Beispiel einem Bildsensor arbeiten kann. Wie oben erwähnt, enthält die Treiberschaltung 10 eine Dimmsteuerschaltung 18, die verwendet werden kann, um ein solches Dimmen zu erreichen. Insbesondere kann die Dimmsteuerschaltung 18 ein oder mehrere Steuersignale erzeugen, die andere Elemente der Treiberschaltung 10 steuern, um den Pegel des durch die LED-Last 20 fließenden Treiberstroms zu reduzieren und damit die Lichtleistung der LEDs 22 zu reduzieren. Die Dimmsteuerschaltung 18 kann als Antwort auf ein externes Steuersignal arbeiten. Die Dimmsteuerschaltung 18 erzeugt ein Dimmsteuersignal V_DIM, das dem Abwärts-Controller 16 zugeführt wird, um den Dimmbetrieb zu steuern. Die Dimmsteuerschaltung 18 kann außerdem dem Aufwärts-PFC-Controller 14 ein Steuersignal zuführen, das verwendet wird, um den Aufwärts-PFC-Betrieb einzuschalten oder auszuschalten.
Der Abwärts-Controller 16 kann als Antwort auf die von der Dimmsteuerschaltung 18 erzeugten Steuersignale die Helligkeit des von der LED-Last 20 abgestrahlten Lichts auf eine von zwei Arten steuern. Bei einer ersten Methode zum Dimmen kann der Abwärts-Controller 16 den der LED-Last 20 zugeführten mittleren Strom reduzieren. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass eine Stromreferenz reduziert wird, der vom Abwärts-Controller 16 verwendet wird, um den Pegel des durch die Last fließenden Stroms zu bestimmen. Die Frequenz, mit der der Schalter 70 zwischen seinen Ein- und Ausschaltzuständen umgeschaltet wird, kann erhöht werden, um den Stromfluss durch die LED-Last 20 zu reduzieren, wenn der Abwärtswandler 60 in der kritischen Betriebsart CCM/DCM betrieben wird.
Während normalem (d. h. nicht gedimmten) Betrieb kann der der LED-Last 20 zugeführte Strom sehr hoch sein, wie zum Beispiel ein Strom von 1,5 A für Leistungs-LEDs. Den Pegel des vom Abwärtswandler 60 der LED-Last 20 zugeführten Treiberstroms zu reduzieren, führt für moderate Dimmpegel nicht zu Problemen. Wenn jedoch sehr niedrige Dimmung benötigt wird, kann es zu Problemen kommen. Wenn zum Beispiel dieselbe Dimmung, d. h. der Abwärtswandler 60 arbeitet in einem Schaltmodus mit einer einstellbaren Stromreferenz, in der Treiberschaltung 10 von 1 verwendet wird und die Lichtleistung auf 0,1 % des Normalpegels gedimmt werden muss, dann muss bei einem Nenn-Treiberstrom von 1,5 A der zur LED-Last 20 fließende Treiberstrom auf 1,5 mA geregelt werden, um den gewünschten Dimmpegel zu erreichen. Wie oben erörtert, wird der Stromwächter 74 zur Messung des durch die LED-Last 20 fließenden Treiberstroms verwendet und muss daher in der Lage sein, diesen 1,5 mA Treiberstrom genau zu messen, um den Treiberstrom auf dem zur Erzielung des gewünschten Dimmpegels nötigen Wert zu halten. Typischerweise werden der erste und zweite Widerstand 66, 72 unter Verwendung von Widerständen mit niedrigen Widerstandswerten implementiert, um den Leistungsverlust zu reduzieren. So könnte in einer Beispiel-Implementierung jeder der Widerstände 66, 72 als ein 0,25 Ω; Widerstand implementiert werden. Wenn zum Beispiel der Abwärtswandler 60 in der kritischen Betriebsart CCM/DCM arbeitet (d. h. einer Betriebsart, in der der Schalter 70 jedes Mal eingeschaltet wird, wenn der von der Induktivität 68 fließende Strom auf null fällt), haben das Steuersignal V₂, das den durch den Schalter 70 fließenden Strom widerspiegelt, und das Steuersignal V₃, das den durch die LED-Last 20 fließenden Strom widerspiegelt, Werte von 0,75 mV bzw. 0,375 mV. Bei diesen niedrigen Spannungspegeln kann in der Treiberschaltung 10 erzeugtes Rauschen und/oder externes Rauschen größenordnungsmäßig nahe an den Steuersignalen V₂ und V₃ liegen, weshalb es für den Abwärts-Controller 16 schwierig oder unmöglich sein kann, stabile Regelung des der LED- Last 20 zugeführten Treiberstroms zu erreichen, da das Rauschen erhebliche Instabilitäten in den Treiberstrompegeln erzeugen wird. Zwar könnten Widerstände mit höheren Widerstandswerten zur Implementierung der ersten und zweiten Widerstände 66, 72 verwendet werden, um die Größenordnung der Steuersignale V₂ und V₃ während Ultraniedrigdimmbetrieb zu erhöhen, doch erhöht die Verwendung von Widerständen mit höheren Widerstandswerten den Leistungsverlust und ist keine praktische Lösung für Anwendungen, in denen Ultraniedrigdimmfähigkeiten gewünscht sind.
Bei der zweiten Methode wird Pulsweitenmodulationsdimmen verwendet. Mit Pulsweitenmodulationsdimmen kann der durch die LED-Last 20 fließende Treiberstrom auf seinem normalen Spitzenwert (d. h. dem Wert während Nicht-Dimmbetrieb) gehalten werden. Ein Tastverhältnis wird so angewendet, dass der Treiberstrom der LED-Last 20 als ein gepulstes Signal zugeführt wird. Während eines ersten Teils jedes Zyklus wird der Treiberstrom der LED-Last 20 zugeführt, und danach wird während des zweiten Teils jedes Zyklus der Treiberstrom von der LED-Last 20 (mit Ausnahme des von der Induktivität 68 zugeführten Stroms) getrennt (durch Öffnen des Schalters 70). Auf diese Weise kann der der LED-Last 20 zugeführte Spitzenstrom konstant gehalten werden, doch wird der mittlere Strom reduziert. Der Betrag der angewendeten Dimmung kann durch Variieren des Tastverhältnisses der Impulse (d. h. der prozentualen Anteile jedes Zyklus, während der der Treiberstrom der LED-Last 20 zugeführt wird und nicht zugeführt wird) gesteuert werden.
Da Pulsbreitenmodulationsdimmen den der Last zugeführten Treiberstrom auf seinem Spitzenpegel hält, sind die oben beschriebenen Probleme beim Reduzieren des Spitzenstroms zur Erzielung von ultraniedriger Dimmung nicht vorhanden, wenn Pulsbreitenmodulationsdimmen verwendet wird, da der Treiberstrom in dem obigen Beispiel auf 1,5 A gehalten würde, doch würde er nur für einen sehr kleinen Bruchteil (1/1000) jedes Zyklus an die LED-Last 20 angelegt. Leider kann es durch die langen „Aus“-Zeitspannen im Tastverhältnis, die notwendig sind, um ultraniedriges Dimmen zu erreichen, zu unerwünschtem Flackern oder Flimmern kommen, wenn Pulsweitenmodulationsdimmen verwendet wird, was für einen menschlichen Beobachter unangenehm sein kann. Dieses Flackern und/oder Flimmern kann durch Verwendung eines sehr großen Elektrolytkondensators (z. B. 470 Mikrofarad) zur Implementierung des Kondensators 64 reduziert werden. Die Verwendung solch großer Elektrolytkondensatoren kann jedoch in vielen Anwendungen aufgrund von Kosten- und/oder Größenbeschränkungen, Lebensdaueranforderungen und/oder wegen unzulänglicher Reaktionszeit des Kondensators undurchführbar sein. Statt einen großen Kondensator 64 zu verwenden, um das Problem von Flackern während ultraniedrigem Dimmen zu lösen, kann die Frequenz der Pulsweitenmodulation des Treiberstroms erhöht werden, um die Länge jedes „Aus“-Zyklus zu reduzieren. Die Verwendung von hochfrequenter Pulsweitenmodulation kann jedoch unerwünscht sein, da, wenn ultraniedriges Dimmen benötigt wird, aufgrund der Ansprechzeit des Abwärtswandlers 60 die Zeit, die der Abwärtswandler 60 arbeitet, zu kurz wird, um den LED-Strom wie gewünscht regeln zu können.
Wie oben erörtert, werden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Festkörper-Leuchten mit Ultraniedrigdimmfähigkeiten sowie zugehörige Treiberschaltungen, die in diesen Festkörper-Leuchten verwendet werden können, bereitgestellt. Die Festkörper-Leuchten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben Treiberschaltungen mit Stromregelschaltungen, die in (mindestens) zwei verschiedenen Betriebsarten arbeiten. Insbesondere kann die Stromregelstufe der Treiberschaltungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entweder in einem Schaltmodus oder in einem Linearmodus arbeiten. Im Schaltmodus kann eine Steuerschaltung, die Teil der Stromregelstufe ist, zur Steuerung eines ersten Schalters verwendet werden, der mit einer hohen Frequenz (z. B. 20 kHz bis einige hundert kHz) ein- und ausschaltet, um den der LED-Last (die eine oder mehrere LEDs aufweisen kann) zugeführten Strom zu regeln. Der Schaltmodus kann verwendet werden, um den Treiberstrom für die LED-Last während normalem (nicht gedimmten) Betrieb und während Dimmen auf moderate Pegel bereitzustellen. Entweder Amplitudendimmung, d. h. Ändern der Amplitude des LED-Last-Stroms mit dem bei hoher Frequenz arbeitenden Schalter 70, oder Pulsweitenmodulationsdimmung kann verwendet werden, wenn die Stromregelschaltung im Schaltmodus arbeitet.
Wenn die Festkörper-Leuchte auf niedrige und/oder ultraniedrige Pegel gedimmt werden soll, kann die Stromregelstufe in einen Linearmodus wechseln, um der LED-Last einen Linearmodus-Treiberstrom zuzuführen. Im Linearmodus kann die Steuerschaltung der Stromregelstufe einen zweiten Schalter wie zum Beispiel einen MOSFET oder Bipolar-Sperrschicht-Transistor (BJT) steuern, um den Strom durch die LED unter Verwendung eines Linearstromreglers zu regeln. Insbesondere kann die Steuerschaltung einen Strombetrag einstellen, der kontinuierlich durch den zweiten Schalter fließt, um den der LED-Last zugeführten Treiberstrom zu regeln. Somit können die Steuerschaltungen der Stromregelstufen der Treiberschaltungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der LED-Last wahlweise entweder einen Schaltmodus-Treiberstrom oder einen Linearmodus-Treiberstrom zuführen. Die Art des der LED-Last zugeführten Treiberstroms kann zum Beispiel davon abhängen, wie stark die Lichtleistung der Festkörper-Leuchte gedimmt werden soll. Wie weiter unten näher erläutert wird, kann durch Konfigurieren der Festkörper-Leuchte, wahlweise in einer von zwei verschiedenen Betriebsarten zu arbeiten, hohe Energieeffizienz während Betrieb mit voller Leistung und während moderatem Dimmen erreicht werden, und zugleich können die Leuchten auf niedrige oder ultraniedrige Pegel gedimmt werden und dabei noch eine gleichmäßige und stabile Lichtleistung liefern.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Festkörper-Leuchte 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, enthält die Festkörper-Leuchte 100 eine Treiberschaltung 110 und eine LED-Last 150. Die LED-Last 150 kann zum Beispiel eine oder mehrere LEDs aufweisen (nicht gezeigt). Wenn mehrere LEDs vorgesehen sind, können die LEDs in Reihe oder parallel oder in einer Kombination davon angeordnet sein.
Die Treiberschaltung enthält eine erste Stromregelschaltung 120, eine zweite Stromregelschaltung 130 und eine Steuerschaltung 140. Die erste Stromregelschaltung 120 kann zum Beispiel eine Stromregelschaltung aufweisen, die in einem Schaltmodus arbeitet, um der LED-Last 150 einen Schaltmodus-Treiberstrom zuzuführen. Zum Beispiel kann in manchen Ausführungsformen der Abwärtswandler 60 der Treiberschaltung 10 von 1 verwendet werden, um die erste Stromregelschaltung 120 zu implementieren. Die zweite Stromregelschaltung 130 kann in manchen Ausführungsformen in Reihe mit der LED-Last 150 angeordnet sein, um den durch die LED-Last 150 fließenden Treiberstrom zu regeln. Die zweite Stromregelschaltung 130 kann in manchen Ausführungsformen einen Linearstromregler enthalten, der verwendet wird, um der LED-Last 150 einen Linearmodus-Treiberstrom zuzuführen.
Die Steuerschaltung 140 kann verwendet werden, um wahlweise eine von der ersten Stromregelschaltung 120 und der zweiten Stromregelschaltung 130 zu aktivieren. Obwohl in 2 nicht gezeigt, können ein oder mehrere Schalter vorgesehen sein, die verwendet werden, um die ersten und zweiten Stromregelschaltungen 120, 130 zu aktivieren. Die Steuerschaltung 140 kann als Antwort auf ein externes Dimmsteuersignal arbeiten, das einen Betrag angibt, mit dem die Festkörper-Leuchte 100 gedimmt werden soll.
3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Festkörper-Leuchte 200 gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt, enthält die Festkörper-Leuchte 200 eine Treiberschaltung 210 und eine LED-Last 250. Die LED-Last 250 kann die gleiche sein wie die oben erörterte LED-Last 150 und wird daher hier nicht näher beschrieben.
Die Treiberschaltung 210 kann konfiguriert sein, der LED-Last 250 als Antwort auf ein Dimmsteuersignal wahlweise eines von einem Schaltmodus-Treiberstrom und einem Linearmodus-Treiberstrom zuzuführen. In manchen Ausführungsformen kann der LED-Last 250 der Schaltmodus-Treiberstrom zugeführt werden, wenn die Festkörper-Leuchte mit voller Leistung oder auf einem moderaten Dimmpegel arbeiten soll, während der LED-Last 250 der Linearmodus-Treiberstrom zugeführt wird, wenn die Festkörper-Leuchte auf ultraniedrige Pegel gedimmt werden soll.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Festkörper-Leuchte 300 gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die eine Treiberschaltung 310 und eine LED-Last 350 enthält. Die LED-Last 350 kann die gleiche sein wie die oben erörterte LED-Last 150 und wird daher hier nicht näher beschrieben.
Die Treiberschaltung 310 enthält einen Gleichrichter 320, einen Aufwärts-PFC-Wandler 330, einen Abwärtswandler 340, eine Steuerschaltung 360 und einen Linearstromregler 370. Der Gleichrichter 320 kann eine Wechselspannung von einer externen Quelle empfangen und kann diese Wechselspannung gleichrichten. Zur Implementierung des Gleichrichters 320 kann irgendeine geeignete Gleichrichterschaltung verwendet werden. Der Aufwärts-PFC-Wandler 330 kann die vom Gleichrichter 320 ausgegebene gleichgerichtete Spannung empfangen und kann deren Spannung erhöhen. Der Aufwärts-PFC-Wandler 330 kann unter der Steuerung der Steuerschaltung 360 arbeiten. Der Aufwärts-PFC-Wandler 330 kann in manchen Ausführungsformen auch Leistungsfaktorkorrektur ermöglichen. Der Abwärtswandler 340 kann auch unter der Steuerung der Steuerschaltung 360 arbeiten, um den der LED-Last 350 zugeführten Strom unter normalen Betriebsbedingungen und während Herunterdimmen auf einen bestimmten vorgewählten Pegel zu regeln. Die Stromregelstufe des Abwärtswandlers 340 kann in einem Schaltmodus arbeiten, um Leistungsverluste zu reduzieren und/oder den Wirkungsgrad zu erhöhen. Wenn der Abwärtswandler 340 tätig ist, um den Strom für die LED-Last 350 zu regeln, kann der Linearstromregler 370 abgeschaltet werden. Wenn Dimmen auf Pegel unterhalb des vorgewählten Pegels nötigt ist, kann die Steuerschaltung 360 den Linearstromregler 370 aktivieren und kann den Abwärtswandler 340 ausschalten. Unter diesen Bedingungen kann der Linearstromregler 370 den Treiberstrom durch die LED-Last 350 auf einem gewünschten Pegel halten.
5 ist ein Schaltplan eines Schaltungstreibers 400 gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Schaltungstreiber 400 enthält verschiedene Schaltungselemente, die in der konventionellen LED-Treiberschaltung 10 enthalten sind, die oben unter Bezugnahme auf 1 erörtert wurde, und daher sind diese Schaltungselemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und werden hier nicht näher beschrieben. Zusätzlich enthält die Treiberschaltung 400 weiterhin eine Linearreglerschaltung 480 (hier auch als Linearstromregler bezeichnet), die mit der LED-Last 20 in Reihe geschaltet ist. Obwohl die LED-Last 20 in 5 dargestellt ist, um die Erläuterung des Betriebs der Treiberschaltung 400 zu erleichtern, ist zu beachten, dass die LEDs 22 nicht Teil der Treiberschaltung 400 sind, sondern statt dessen die Last aufweisen, die von der Treiberschaltung 400 angesteuert wird. Die Linearreglerschaltung 480 kann eingeschaltet werden, wenn ultraniedriges Dimmen benötigt wird
Wie in 5 gezeigt, enthält die Linearreglerschaltung 480 einen Fehlerverstärker 482, einen Schalter 484, einen Stromfühlwiderstand 486, einen Widerstand 488 und einen Schalter 490. Die Schalter 484 und 490 können zum Beispiel als MOSFET-Transistor-Schalter implementiert werden. Der Fehlerverstärker 482 gibt ein Signal über den Widerstand 488 aus. Während normalem (nicht gedimmten) Betrieb und während Dimmbetrieb, wobei der Betrag der zu dimmenden Lichtleistung unter einem vorgewählten Pegel liegt, wird der Schalter 490 durch Anlegen eines Hochspannungssignals V₇ an dessen Gate eingeschaltet. Beim Einschalten des Schalters 490 wird das Gate des Schalters 484 auf einen niedrigen Wert gezogen und dadurch der Schalter 484 ausgeschaltet. Unter diesen Bedingungen ist der Linearstromregler 480 von der LED-Last 20 getrennt, und die Stromregelstufe des Abwärtswandlers 60 (d. h. Schalter 70, Induktivität 68, Ausgangskondensator 64 und Diode 62) arbeitet normal in der oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Weise, um den der LED-Last 20 zugeführten Treiberstrom unter Verwendung von Schaltmodus-Stromregelung zu regeln.
Wenn ultraniedriges Dimmen benötigt wird (oder Dimmen auf einen Pegel unterhalb des vorgewählten Pegels), wird das Steuersignal V_GS vom Abwärts-Controller 16 auf einen niedrigen Pegel gesetzt und dadurch der Schalter 70 ausgeschaltet. Da es keinen Rückstromweg durch den Abwärtswandler 460 mehr gibt, wird die Stromregelschaltung des Abwärtswandlers 60 nach dem Entladen der Induktivität 68 vollständig ausgeschaltet. Gleichzeitig kann das Steuersignal V₇ auf einen niedrigen Pegel gesetzt werden, um den Schalter 490 auszuschalten und die Linearreglerschaltung 480 zu aktivieren.
Wenn die Linearreglerschaltung 480 aktiviert ist, arbeitet der Fehlerverstärker 482, um den Treiberstrom durch die LED-Last 20 auf einem gewünschten Pegel zu halten. Der Linearregler 480 erreicht dies durch Eingeben eines Signals V₄, das den aktuellen Strom durch die LED-Last 20 widerspiegelt, und eines Referenzsignals V₅ in den Fehlerverstärker 482. Das Signal V₄ spiegelt den Spannungsabfall am Widerstand 486 (ein bekannter Wert) wider und entspricht damit direkt dem Treiberstrom durch die LED-Last 20. Die Referenzspannung V₅ ist eine Treiberstrom-Referenzspannung, die einem gewünschten LED-Last-Strom entspricht, der den angegebenen Betrag der angeforderten Dimmung erzielt. Die Spannung V₅ kann von irgendeiner der in 5 gezeigten Steuerschaltungen oder von einer anderen Steuerschaltung wie zum Beispiel einem Funkmodul oder einem Mikrocontroller innerhalb eines Kommunikationsbusses erzeugt werden.
Wenn der Linearstromregler 480 aktiviert ist, wird die Gate-Spannung des Transistors 484 auf Basis der vom Fehlerverstärker 482 ausgegebenen Spannung eingestellt. Wird im Betrieb der Treiberstrom durch die LED-Last 20 größer als ein gewünschter Wert (d. h. der Wert entsprechend der Referenzspannung V₅), steigt V₄. Da die Spannung V₄ dem Fehlerverstärker 482 zugeführt wird, bewirkt die Erhöhung des Treiberstroms durch die LED-Last 20 eine Verringerung der Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 482, was wiederum den Treiberstrom durch die LED-Last 20 verringert, bis der Sollwert des Treiberstroms erreicht ist. Sinkt der Treiberstrom durch die LED-Last 20 unter den gewünschten Wert, sinkt V₄, wodurch der Fehlerverstärker 482 seine Ausgangsspannung erhöht, was zu einer Erhöhung des Treiberstroms durch die LED-Last 20 führt. Somit kann die Linearreglerschaltung 480 verwendet werden, um den Treiberstrom durch die LED-Last 20 auf einen gewünschten Pegel zu setzen und darauf zu halten. Der Linearstromregler 480 erreicht dies, indem er kontinuierlich einen Strom durch den Schalter 484 fließen lässt und den Strombetrag, der fließt, durch Ändern der an das Gate des Schalters 484 angelegten Spannung einstellt.
Da die Linearreglerschaltung 480 nur für Niedrig- und Ultraniedrigdimmbetrieb verwendet werden darf, ist der Treiberstrom durch die LED-Last 20 sehr niedrig, wenn die Linearreglerschaltung 480 arbeitet. Folglich kann ein wesentlich größerer Stromfühlwiderstand verwendet werden, um den Widerstand 486 zu implementieren (verglichen zum Beispiel mit den Widerständen 66 und 72), mit nur einem vernachlässigbarem Einfluss auf den Leistungsverlust. Zum Beispiel ist in einem Ausführungsbeispiel der Widerstand 486 als ein 124 Ω; Widerstand implementiert. Bei einem angenommenen LED-Last-Strom von 1,5 mA beträgt das gefühlte Signal 0,186V über 486, und der Leistungsverlust über den Widerstand 486 beträgt nur 0,279 mW. Zusätzlicher Leistungsverlust tritt über den Schalter 484 auf. Unter der Annahme, dass V_B = 440V und V_LED = 300V, beträgt der Leistungsverlust über den Schalter 484 0,21W, was überschaubar ist. Da während ultraniedrigem Dimmen ein streng geregelter und kontinuierlicher Strom durch die LED-Last 20 fließt, kann es kein Flackern oder Flimmern geben.
Somit führt die Treiberschaltung 400 der LED-Last 20 einen Schaltmodus-Treiberstrom zu, wenn die Festkörper-Leuchte nicht gedimmt ist oder wenn die Festkörper-Leuchte ein Dimmsteuersignal mit einem Wert empfängt, der angibt, die Festkörper-Leuchte oberhalb eines vorgewählten Pegels zu dimmen. Im Gegensatz führt die Treiberschaltung 400 der LED-Last 20 einen Linearmodus-Treiberstrom zu, wenn die Festkörper-Leuchte ein Dimmsteuersignal mit einem Wert empfängt, der angibt, die Festkörper-Leuchte unterhalb des vorgewählten Pegels zu dimmen. Hierin bezeichnet ein Schaltmodus-Treiberstrom einen Treiberstrom, der unter Verwendung einer Schaltung mit einem Schalter, der als Teil der normalen Abgabe des Treiberstroms an die LED-Last ein- und ausgeschaltet wird, wie zum Beispiel die Stromregelstufe der oben erörterten Abwärtswandler, der LED-Last zugeführt wird. Ein Linearmodus-Treiberstrom bezeichnet einen Treiberstrom, der der LED-Last auf eine kontinuierliche Weise zugeführt wird, ohne einen Schalter als Teil der normalen Abgabe des Treiberstroms an die LED-Last ein- und auszuschalten, wie zum Beispiel die Treiberströme, die den LED-Lasten unter Verwendung des Linearstromreglers 480 zugeführt werden. Ein „Treiberstrom“ bezeichnet den Betriebsstrom, der der LED-Last zugeführt wird, um die darin enthaltenen LEDs zu speisen.
Man beachte auch, dass hierin gegebene Hinweise, eine Festkörper-Leuchte unter einen vorgewählten Pegel zu dimmen, bedeutet, die Leistung der Festkörper-Leuchte so reduzieren, dass die Leistung unterhalb des vorgewählten Pegels liegt. Der vorgewählte Pegel kann auf verschiedene Arten festgelegt werden, wie zum Beispiel ein Bruchteil des mittleren Treiberstroms im normalen (nicht gedimmten) Betrieb oder ein Bruchteil der Lichtleistung im normalen (nicht gedimmten) Betrieb.
Der vorgewählte Dimmpegel, bei dem die Treiberschaltung 400 vom Schaltmodus in den Linearmodus umschaltet, kann auf Basis einer Anzahl von Faktoren eingestellt werden, einschließlich Verlustleistung, Schaltfrequenz und tatsächlichen Betriebsbedingungen wie z. B. die Ausgangsspannung des PFC-Aufwärts-Wandlers 40 und die Spannung der LED-Last 20. Ist die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des PFC-Wandlers 40 und der Spannung der LED-Last 20 relativ groß, kann Amplitudendimmung bei niedrigeren Laststrompegeln verwendet werden, um den Leistungsverlust des Schalters 484 im Linearstromregler 480 zu vermeiden. In manchen Ausführungsformen kann der vorgewählte Dimmbetrag so gewählt werden, dass er Dimmen umfasst, bei dem der Treiberstrom durch die LED-Last unter normalen (nicht gedimmten) Betriebsbedingungen auf zehn Prozent oder weniger des Treiberstroms durch die LED-Last 20 reduziert wird. In anderen Ausführungsformen kann der vorgewählte Dimmbetrag so gewählt werden, dass er Dimmen umfasst, bei dem der Treiberstrom durch die LED-Last 20 unter normalen Betriebsbedingungen auf fünf Prozent oder weniger des Treiberstroms durch die LED-Last 20 reduziert wird. In weiteren Ausführungsformen kann der vorgewählte Dimmbetrag so gewählt werden, dass er Dimmen umfasst, bei dem der Treiberstrom durch die LED-Last 20 unter normalen Betriebsbedingungen auf ein Prozent oder weniger des Treiberstroms durch die LED-Last 20 reduziert wird.
6 ist ein Schaltplan einer Treiberschaltung 500 gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Treiberschaltung 500 ist der oben unter Bezugnahme auf 5 erörterten Treiberschaltung 400 ähnlich, außer dass in der Treiberschaltung 500 eine Mikrocontroller-basierte Steuerschaltung 516 verwendet wird, um den Analog-Abwärts-Controller 16 zu ersetzen, der in der Treiberschaltung 400 enthalten ist. In der Treiberschaltung 500 ist die Induktivität 68 der Treiberschaltung 400 durch eine erste Seite 568-1 einer Wicklung 568 ersetzt. Die Mikrocontroller-basierte Steuerschaltung 516 kann erkennen, wenn der Strom durch die Wicklung 568 auf null fällt, indem er die Spannung an der zweiten Seite 568-2 der Wicklung 568 abtastet. Fällt die Spannung an der zweiten Wicklung 568-2 nach dem Ausschalten des Schalters 70 auf einen Pegel nahe Null ab, wird der Schalter 70 wieder eingeschaltet. Die Mikrocontroller-basierte Steuerschaltung 516 kann den Schalter 70 auf Basis der Signale V₂, V₃ und V_DIM steuern. Obwohl in 5 nicht gezeigt, kann eine zweite Wicklung auf der Induktivität 68 verwendet werden, um die Spannung an der Induktivität 68 in der Treiberschaltung 400 von 5 abzutasten. Fällt die Spannung an dieser zweiten Wicklung beim Ausschalten des Schalters 70 auf einen Pegel nahe Null, wird der Schalter 70 wieder eingeschaltet.
Der Fachmann erkennt, dass das Front-End des Abwärtswandlers 60, der in den Stromtreiberschaltungen 400, 500 der 5 und 6 enthalten ist, irgendeine geeignete Topologie haben kann, einschließlich zum Beispiel eines Rücklaufs, einer Abwärts-Aufwärts- oder einer Abwärts-Topologie. Ebenso kann die Schaltstromregelschaltung, die zum Regeln des Treiberstroms zur LED-Last 20 während normaler Betriebsbedingungen und moderater Dimmpegel verwendet wird, irgendeine geeignete Art von Schaltstromregelschaltung sein. Die vorliegende Erfindung kann konventionelle Treiberschaltungen verbessern, indem eine zweite Stromregelschaltung bereitgestellt wird, die konfiguriert ist, hohe Leistung während Ultraniedrigdimmbetrieb zu liefern. Diese zweite Stromregelschaltung kann einen Linearstromregler aufweisen, der einen niedrigen Treiberstrom durch eine LED-Last stabil halten kann. Die Treiberschaltungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können von einer leistungseffizienten Schaltstromregelungs-Betriebsart auf eine weniger effiziente, aber stabilere Linearstromregelungs-Betriebsart umschalten, um stabilen LED-Strom und sanftes Dimmen ohne Flackern oder Flimmern zu erreichen, wenn ultraniedriges Dimmen benötigt wird.
Die Treiberschaltungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in eine Festkörper-Leuchte eingebaut werden, um eine energieeffiziente Leuchte zu schaffen, die stabil auf ultraniedrige Pegel dimmen kann. Diese Treiberschaltungen können in mannigfache verschiedene Arten von Festkörper-Leuchten eingebaut werden. Zum Beispiel zeigt 7A schematisch eine Glühbirne 600, die eine Treiberschaltung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten kann. 7B zeigt schematisch eine Einbauleuchte 610, die ebenfalls eine der Treiberschaltungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten kann. 7C zeigt eine Festkörper-basierte Deckenleuchte 620 im „Muldenleuchten“-Stil, die eine der Treiberschaltungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten kann. 7D zeigt schematisch eine Straßenleuchte 630, die ebenfalls eine der Treiberschaltungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten kann. Man erkennt, dass die Treiberschaltungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in jede geeignete Festkörper-Leuchte eingebaut werden können.
Wie oben erwähnt, können die Festkörper-Leuchten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Sensoren wie zum Beispiel Bildsensoren verwendet werden. Die hierin offenbarten Treiberschaltungen können ultraniedrige Lichtpegel unter Verwendung von sehr geringen Energiebeträgen liefern, während sie noch genügend Licht liefern, um von Sensorschaltungen wie zum Beispiel Bildsensoren oder Kameras genutzt zu werden, um die Sensorfunktionalität zu verbessern und/oder Sensoranwendungen zu ermöglichen. Der Sensor kann sich im Inneren der Festkörper-Leuchte befinden, und man erkennt daher, dass jede der in 7A-7D gezeigten Festkörper-Leuchten 600, 610, 620, 630 einen Bildsensor oder eine Kamera enthalten kann, und die Festkörper-Leuchte kann auf ultraniedrigen Dimmpegeln betrieben werden (z. B. 1 % oder weniger der Lichtleistung im normalen, nicht gedimmten Betrieb), um die Sensorfunktionalität aufrechtzuerhalten oder zu verbessern. Die hierin offenbarten Treiberschaltungen können zum Beispiel auch in irgendeiner der Festkörper-Leuchten enthalten sein, die offenbart sind in der US-Patentanmeldung Seriennummer 15 /018,606 mit dem Titel „LED LUMINAIRE HAVING ENHANCED THERMAL MANAGEMENT“ („LED BELEUCHTUNGSKÖRPER MIT VERBESSERTER THERMISCHEN VERWALTUNG“) (Anwaltsakte P2532) und gleichzeitig hiermit eingereicht am 8. Februar 2016 und dem gleichen Zessionar wie die vorliegende Anmeldung zediert und/oder der US-Patentanmeldung Seriennummer 62/292,528 mit dem Titel „DISTRIBUTED LIGHTING NETWORK“ („VERTEILTES BELEUCHTUNGSNETZWERK“ (Anwaltsakte P2592) und gleichzeitig hiermit eingereicht am 8. Februar 2016 und dem gleichen Zessionar wie die vorliegende Anmeldung zediert, deren beider gesamte Inhalte durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Dimmen einer Festkörper-Leuchte gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie in 8 gezeigt, kann der Betrieb damit beginnen, dass ein Treiberstrom mit einem ersten mittleren Strompegel einer LED-Last über eine erste Schaltmodus-Stromregelschaltung zugeführt wird (Block 700). Es kann ein Dimmsteuersignal empfangen werden, das ultraniedriges Dimmen anfordert (Block 710). Als Antwort auf das Dimmsteuersignal kann der LED-Last unter Verwendung eines Linearstromreglers ein Treiberstrom mit einem zweiten mittleren Strompegel zugeführt werden, der kleiner als der erste mittlere Strompegel ist (Block 720).
Man erkennt, dass mannigfache Änderungen an den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel werden in den in den Schaltplänen von 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung MOSFETs verwendet, um verschiedene Schalter in dem PFC-Aufwärts-Wandler 40, dem Abwärtswandler 60 und der Linearmodus-Stromregelschaltung 480 zu implementieren. Man erkennt, dass mannigfache andere Elemente verwendet werden können, um diese Schalter zu implementieren, wie zum Beispiel Bipolar-Sperrschicht-Transistoren, Thyristoren, Isolierschicht-Bipolar-Sperrschicht-Transistoren und dergleichen. Ein weiteres Beispiel: Während die in den Beispielen gezeigten Treiberschaltungen eine Wechselspannungsquelle haben, erkennt man, dass in anderen Ausführungsformen eine Gleichspannungsquelle (z. B. eine Batterie) verwendet werden kann. In solchen Ausführungsformen kann der Gleichrichter entfallen.
9 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Festkörper-Leuchte gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und 10 ist ein Graph, der den Einfluss einer Steuerspannung auf den Betrieb der Festkörper-Leuchte von 9 veranschaulicht.
Insbesondere können manche Ausführungsformen den Abwärtswandler weglassen, während die Verwendung eines Linearstromreglers für Dimmen mit niedrigem Pegel beibehalten wird. Zum Beispiel kann eine PFC-Schaltung einer LED-Last eine Spannung zuführen, während ein Linearspannungsregler für ultraniedriges Dimmen vorgesehen ist.
Unter Bezugnahme auf 9 kann ein Aufwärts-PFC-Wandler 40, der ein Schaltmodus-Spannungswandler ist, eine Wechselspannung von einer Quelle 12 empfangen und eine Aufwärts-Spannung V_PFC über einen Kondensator 48 zuführen, was eine einstellbare Ausgangsspannung liefert, die die LED-Last 22 ansteuert. Eine Linearreglerschaltung 580 enthält einen Fehlerverstärker 582, einen Schalter 584 und einen Stromfühlwiderstand 586 mit einem Widerstand Rs. Der Schalter 584 kann zum Beispiel als MOSFET-Transistor-Schalter implementiert werden, obwohl auch andere Arten von Schaltern verwendet werden können.
Ein Controller 516 erfasst eine Spannung V_Linear an einem Ausgang der Last 22 und erzeugt als Antwort auf die erfasste Spannung V_Linear und ein Dimmsteuersignal, das von einem Dimm-Controller 518 ausgegeben wird, ein Steuersignal V_{ctrl_linear}. Das Steuersignal V_{ctrl_linear} wird dem nicht-invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers 582 zugeführt, während dem invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers 518 eine Spannung am Stromfühlwiderstand 586 (proportional zum durch die Last 22 fließenden Strom) zugeführt wird. Der Wert des Steuersignals V_{ctrl_linear} kann so gewählt werden, dass während Niedrigdimmbedingungen ein vorgegebener Strompegel durch die Last fließen gelassen wird. Während Hochdimmbedingungen kann der Wert des Steuersignals V_{ctrl_linear} hoch gesetzt werden, was den Schalter 584 einschaltet und den Leistungsverlust im Schalter 584 reduziert.
Das heißt, unter Bedingungen hoher Leistungen ist der Spannungsabfall am Linearregler niedrig zu halten, um Leistungsverlust zu reduzieren. Unter Niedrigdimmbedingungen steigt der Spannungsabfall am Schalter 584, um den Linearregler 580 zu befähigen, den Strom durch die Last selbst beim Vorhandensein von Welligkeit in der vom PFC-Aufwärts-Wandler gelieferten Spannung zu regeln.
In den Ausführungsformen von 9 führt ein Aufwärts-PFC-Wandler 40 einer ersten Stufe einer Last 22 eine Ausgangsspannung V_PFC mit einem hohem Leistungsfaktor zu. Ein Linearstromregler 580 einer zweiten Stufe regelt die am Schalter 584 abfallende Spannung auf Basis eines vom Stromfühlwiderstand 586 ausgegebenen Stromfühlsignals und des Steuersignals V_{ctrl_linear}. Der Linearstromregler 580 steuert den LED-Strom auf: $I_{LED} = V_{ctrl_linear} / R_{S}$
Das Steuerziel für die PFC-Stufe 40 ist die Spannung am Linearregler V_Linear. V_Linear sollte unter Dimmbedingungen hoch genug sein, damit der Linearregler den LED-Strom effektiv steuern kann. Der Minimalwert für V_Linear kann geschätzt werden als: $V_{Linear_min} = V_{ctrl_linear} + V_{TH}$
worin V_TH die Schwellenspannung des Schalters 584 ist. Mit etwas Kopfraum auf V_Linear kann der Linearregler auch dann richtig funktionieren, wenn es eine Restwelligkeit auf der Ausgangsspannung V_PFC des PFC-Wandlers 40 gibt..
Um ultraniedriges Dimmen zu erreichen, ist der LED-Strom auch dann zu regeln, wenn die PFC-Ausgangsspannung V_PFC Welligkeit enthält. Die Spannungswelligkeit kann groß werden, wenn ein Phasendimmer vorhanden ist und der PFC- Controller auf Burst-Modus-Betrieb bei schwacher Last geht. Die Spannung V_Linear zu erhöhen, kann dem Linearregler 580 mehr Kopfraum bereitstellen, um Welligkeit auf der PFC-Ausgangsspannung zu bewältigen und Blinken oder Flackern der LEDs zu reduzieren/verhindern. Unter Hochdimmbedingungen kann ein relativ hoher Pegel von V_Linear toleriert werden, da der geringe LED-Strom den Leistungsverlust begrenzen würde. Doch wenn der LED-Strom hoch ist, ist es wünschenswert, dass die Spannung am Linearregler 580 so klein wie möglich ist, um den Leistungsverlust zu begrenzen und einen guten Wirkungsgrad für die gesamte Schaltung zu erreichen.
10 zeigt eine Steuerstrategie, die gemäß manchen Ausführungsformen angewendet werden kann. Insbesondere ist 10 ein Graph von V_Linear vs. V_{ctrl_linear}. V_{ctrl_linear} reicht von 0 V bis 1,1 V. Unter Dimmbedingungen regelt der Linearregler 580 den Strom durch die LED-Last 22 so, dass der Strom durch die LED-Last 22 proportional zu V_{ctrl_linear} ist. Wenn der Last-Strom groß ist (d. h. wenn V_{ctrl_linear} groß ist), bleibt V_Linear niedrig, bei ungefähr 1,2 V. Da der Spannungsabfall am Transistor-Schalter 584 nur 0,1 V beträgt, kann der Leistungsverlust im Linearregler 580 akzeptabel niedrig bleiben. Während V_{ctrl_linear} abnimmt, nimmt V_Linear allmählich zu. Wenn _{Vctrl_linear} unter 0,2 V liegt, sättigt V_Linear bei 12 V, was genügend Kopfraum bieten sollte, damit der Linearregler auch bei Vorhandensein von Restwelligkeit auf der Ausgangsspannung V_PFC des PFC-Reglers 40 einen stabilen Ausgangsstrom liefert.
Die Steuerstrategie kann in Übereinstimmung mit den Parametern der bestimmten Schaltung, in der sie verwendet wird, angepasst werden. Zum Beispiel kann die Steuerstrategie so eingestellt werden, dass der Schalter 584 vollständig leitend bleibt, bis das vom Dimm-Controller 518 ausgegebene Dimmsignal einen Schwellpegel passiert, wobei der Linearregler nur während Ultraniedrigdimmbedingungen Strom regelt und die PFC-Stufe den LED-Strom steuert, wenn der Schalter 584 unter Hochleistungsbedingungen vollständig eingeschaltet ist.
11A und 11B sind Prinzipskizzen, die Konfigurationen einer Festkörper-Leuchte gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulichen, die einen Bildsensor enthalten oder in Verbindung damit arbeiten. Insbesondere kann eine Festkörper-Leuchte 640 gemäß manchen Ausführungsformen eine ultraniedrig dimmbare Lichtquelle für Beleuchtung eines Objekts 650 bereitstellen. Man erkennt, dass eine Festkörper-Leuchte gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung keinen Bildsensor enthalten muss und dass ein Bildsensor nicht in Verbindung mit einer Festkörper-Leuchte gemäß manchen Ausführungsformen verwendet werden muss. Vielmehr kann eine Festkörper-Leuchte gemäß Ausführungsformen der Erfindung Beleuchtung mit ultraniedriger Dimmung für andere Zwecke ermöglichen.
Ein Bild des Objekts 650, das auf einem niedrigen Dimmpegel beleuchtet wird, kann von einem Bildsensor 660 (11A) oder 670 (11B) aufgenommen werden. Insbesondere ist der in 11A gezeigte Bildsensor 660 mit der Festkörper-Leuchte 640 integriert, während der in 11B gezeigte Bildsensor 670 von der Festkörper-Leuchte 640 getrennt ist. In beiden Fällen kann der Bildsensor 660, 670 ein Bild des beleuchteten Objekts 650 unter von der Festkörper-Leuchte 640 gelieferten Ultraniedrigdimmbedingungen aufnehmen.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben gezeigten Ausführungsformen; vielmehr sollen diese Ausführungsformen die Erfindung dem Fachmann vollständig und vollständig offenbaren.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht als Einschränkung der Erfindung gedacht. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“ und „der“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nicht klar etwas anderes anzeigt. Es wird weiter verstanden, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „umfasst“, „enthält“ und/oder „enthaltend“, wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, kann es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente vorhanden sein. Wird hingegen ein Element als mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.
Alle oben beschriebenen Ausführungsformen können beliebig kombiniert werden, um mannigfache zusätzliche Ausführungsformen zu erhalten.
Das Vorstehende ist beispielhaft für die vorliegende Erfindung und nicht als sie einschränkend zu verstehen. Obwohl Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beschrieben wurden, erkennt der Fachmann leicht, dass viele Änderungen an den Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne von den neuen Lehren und Vorteilen dieser Erfindung materiell abzuweichen. Dementsprechend sollen alle derartigen Änderungen in den Schutzbereich dieser Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, einbezogen werden. Die Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche definiert, wobei Äquivalente der Ansprüche darin einzuschließen sind.

Claims

Festkörper-Leuchte (300), umfassend: eine Leuchtdioden-(LED)-Last (350); einen Aufwärts-Leistungsfaktorkorrektur-Wandler (40), der einen ersten Schalter (44) enthält; eine Treiberschaltung (10), die der LED-Last (350) einen Treiberstrom zuführt, wobei die Treiberschaltung (10) eine erste Stromregelschaltung (120), die einen zweiten Schalter enthält, und eine zweite Stromregelschaltung (130) enthält, die einen dritten Schalter enthält, der mit der LED-Last (350) elektrisch verbunden ist; und eine Steuerschaltung (140), die konfiguriert ist, wahlweise eine der ersten und zweiten Stromregelschaltungen (120, 130) einzuschalten, um den Treiberstrom zu regeln, wobei die zweite Stromregelschaltung (130) einen Linearstromregler (370) aufweist, wobei der Linearstromregler (370) einen ersten Schalter enthält, der in Reihe zwischen der LED-Last (350) und einer Referenzspannung (Vs) verbunden ist, wobei der Linearstromregler (370) einen Verstärker mit einem Ausgang enthält, der einen Betrag des durch den ersten Schalter fließenden Stroms steuert, um den durch die LED-Last fließenden Strom zu regeln, wobei der Linearstromregler (370) außerdem einen zweiten Schalter enthält, der in Reihe zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Referenzspannung (Vs) verbunden ist.
Festkörper-Leuchte (300) nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (140) konfiguriert ist, die Festkörper-Leuchte (300) unter einen vorgewählten Pegel als Antwort auf ein Dimmsteuersignal (V_DIM) mit einem Wert zu dimmen, und wahlweise die zweite Stromregelschaltung (130) einzuschalten und die erste Stromregelschaltung (120) auszuschalten.
Festkörper-Leuchte (300) nach einem der Ansprüche 1-2, wobei die erste Stromregelschaltung (120) eine Schaltmodus-Stromregelschaltung aufweist.
Festkörper-Leuchte (300) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Steuerschaltung (140) konfiguriert ist, als Antwort auf ein Dimmsteuersignal (V_DIM) wahlweise eine der ersten und zweiten Stromregelschaltungen (120, 130) einzuschalten.
Verfahren zum Dimmen einer Festkörper-Leuchte (300) mit einer LED-Last (350), wobei das Verfahren umfasst: über eine erste Schaltmodus-Stromregelschaltung (120) der LED-Last (350) einen Treiberstrom mit einem ersten mittleren Strompegel zuzuführen (700); und unter Verwendung eines Linearstromreglers (370) der LED-Last (350) einen Treiberstrom mit einem zweiten mittleren Strompegel, der kleiner als der erste mittlere Strompegel ist, zuzuführen (720), wobei der Linearstromregler (370) einen ersten Schalter enthält, der in Reihe zwischen der LED-Last (350) und einer Referenzspannung verbunden ist, wobei der Linearstromregler (370) einen Verstärker mit einem Ausgang enthält, der einen Betrag des durch den ersten Schalter fließenden Stroms steuert, um den durch die LED-Last (350) fließenden Strom zu regeln, wobei der Linearstromregler (370) außerdem einen zweiten Schalter enthält, der in Reihe zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Referenzspannung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite mittlere Strompegel mindestens 90 % kleiner ist als der erste mittlere Strompegel.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite mittlere Strompegel mindestens 99 % kleiner ist als der erste mittlere Strompegel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, wobei eine Steuerschaltung die Festkörper-Leuchte (300) unter einen vorgewählten Pegel als Antwort auf ein Dimmsteuersignal (V_DIM) mit einem Wert dimmt, und der LED-Last (350) unter Verwendung des Linearstromreglers (370) den Treiberstrom mit dem zweiten mittleren Strompegel zuführt.