DE19830792A1

DE19830792A1 - Schaltungsanordnung mit Leuchtdiode, insbesondere für ein Fahrradlicht

Info

Publication number: DE19830792A1
Application number: DE19830792A
Authority: DE
Inventors: Burkard Mueller
Original assignee: Busch and Muller KG
Current assignee: Busch and Muller KG
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: DE19830792B4

Description

Die Erfindung betrifft eine durch eine Stromquelle versorgbare Schaltungs anordnung mit mindestens einer Leuchtdiode und einem Kondensator zum Speichern von Energie für den Betrieb der mindestens einen Leuchtdiode. Schaltungsanordnungen solcher Art werden insbesondere in Beleuchtungs anlagen von Fahrrädern und von anderen Fahrzeugen eingesetzt, bei denen eine Stromquelle mit zeitlich veränderlicher Versorgungsspannung bzw. Versorgungsleistung vorhanden ist.

Aus der DE 42 22 994 C2 ist eine an einen Kleingenerator anschließbare Beleuchtungseinrichtung bekannt, die außer der Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art weiterhin eine lichtstarke Lichtquelle, vorzugs weise eine Glühlampe, aufweist. Liefert ein Kleingenerator, an den die Beleuchtungseinrichtung angeschlossen ist, eine ausreichend große Versor gungsleistung, so ist die Leuchtdiode mittels einer Sperrschaltung abgeschal tet. Reicht die Versorgungsleistung nicht zum Betrieb der lichtstarken Licht quelle aus, erzeugt die Leuchtdiode Licht. Reicht die Versorgungsleistung auch nicht zum Betrieb der Leuchtdiode aus, kann die Leuchtdiode noch einige Zeit durch in dem Kondensator gespeicherte Energie betrieben wer den. Der Kondensator ist auf einem Strompfad, der die beiden Anschluß stellen der Beleuchtungseinrichtung mit dem Kleingenerator verbindet, zur Leuchtdiode parallel geschaltet, d. h. der Strompfad teilt sich auf.

Bekannt ist aus der DE-GM 91 16 797 weiterhin eine Schaltungsanordnung der eingangs betriebenen Art mit mindestens einer Leuchtdiode, welche eine Leuchtkraft von mindestens 3 Candela aufweist. Der ebenfalls parallel angeschlossene Kondensator dient als eine Not-Energiequelle, wenn der Generator sich außer Betrieb befindet.

Häufig weisen zusammen mit einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung betriebene Stromquellen, insbesondere Dynamos, einen hohen induktiven Innenwiderstand auf. Bei hohen Strömen, die die Schaltungsanordnung bei entladenem Kondensator aufnimmt, kann daher die Klemmenspannung der Stromquelle erheblich niedriger sein, als für den Betrieb der Lichtanlage wünschenswert oder erforderlich ist. In der "Technische Anweisung 4" (TA 4), auf die in der deutschen Straßenverkehrszulassungsordnung Bezug genom men wird, ist deshalb eine maximal Zeitkonstante von 30 s vorgegeben, mit der sich die Klemmenspannung ihrem Endwert annähern soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die eine größere Freiheit bei der Auswahl der Bauteile der Schaltungsanordnung zuläßt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem eine Absenkung der Klemmenspannung der Stromquelle möglichst gänzlich vermieden wird.

Die Aufgaben werden durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An spruches 10 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Schaltungs anordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist einen mit seinen Enden an die Stromquelle anschließbaren Strompfad auf, auf dem der Kondensator in Reihe zu der mindestens einen Leuchtdiode liegt. Gegenüber den bekannten Schaltungsanordnungen hat die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung den Vorteil, daß die mindestens eine Leuchtdiode mit dem Ladestrom des Kondensators betreibbar ist. Eine Aufteilung eines durch die Stromquelle erzeugten Stromes in einen Beladestrom und einen Betriebsstrom der Leucht diode ist nicht erforderlich. Aus diesem Grund kann auch während der Ladung des Kondensators die Leuchtdiode mit unvermindertem Strom betrie ben werden, ohne daß die Klemmenspannung der Stromquelle durch einen zusätzlich fließenden Strom abgesenkt würde. Insbesondere ermöglicht die Schaltungsanordnung auch die Verwendung von Kondensatoren mit einem höheren Innenwiderstand, ohne daß die vorgeschriebene Zeitkonstante über schritten wird.

Eine in dem Kondensator gespeicherte Energie kann entsprechend der erfin dungsgemäßen Schaltungsanordnung für den Betrieb der mindestens einen Leuchtdiode genutzt werden. Bei einer Ausgestaltung der Schaltungsanord nung wird der Strompfad auf einem Teil zwischen dem Kondensator und der Leuchtdiode unterbrochen und jeweils eine andere Leitungsverbindung zwi schen den Anschlüssen des Kondensators und den Anschlüssen der Leucht diode hergestellt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Kondensator richtig herum angeschlossen wird.

Bei der Ausgestaltung der Schaltungsanordnung wird die leitende Verbindung zwischen dem Kondensator und der Leuchtdiode mittels eines schaltenden Elementes unterbrochen, das zum Beispiel auch als Halbleiterdiode ausgebil det sein kann. Dieses ermöglicht, den Strompfad im Betrieb zeitweise zu unterbrechen, wobei bei Ladung des Kondensators dieser in Reihe zu der Leuchtdiode geschaltet ist. Der Kondensator wird mit dem Betriebsstrom der Leuchtdiode geladen, ohne daß sich eine zusätzliche Stromaufnahme ergibt.

Die Schaltungsanordnung ist insbesondere für die Beleuchtungsanlage eines Fahrrades oder eines anderen vorzugsweise mit Muskelkraft angetriebenen Fahrzeuges angepaßt. Hierbei wird in dem Kondensator gespeicherte Energie insbesondere während des Stillstandes des Fahrzeugs für den Betrieb der Leuchtdiode eingesetzt. Es wird daher ein Kondensator mit möglichst großer Kapazität eingesetzt, der jedoch während der typischen Fahrzeitintervalle des Fahrzeuges mit Hilfe der Antriebsenergie bis zu einer vorgegebenen Soll spannung aufgeladen wird. Vorzugsweise ist die Stromquelle ein Dynamo.

Bei einer Weiterbildung ist der Strompfad an einer Stromquelle angeschlos sen, die Spannungen insbesondere von etwa 12 Volt erreicht. Bei der Verwendung bisher bekannter Schaltungsanordnungen in Beleuchtungsanlagen von Fahrrädern sind Klemmenspannungen von etwa 6 Volt typisch. Aufgrund der Schaltung des Kondensators und der Leuchtdiode in Reihe lassen sich in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch höhere Betriebsspannun gen wirtschaftlich ausnutzen. Damit sind die bekannten Vorteile von hoch voltigen elektrischen Anlagen gegenüber niedervoltigen Anlagen miteinander verbunden, insbesondere ein Vorteil bezüglich geringerer Stromstärken zumindest in Teilen der hochvoltigen Anlagen.

Im Vergleich zu bekannten Schaltungsanordnungen kann wegen der Reihen schaltung ein Kondensator mit einer niedrigeren maximalen Ladespannung verwendet werden, ohne daß sich zusätzliche Verluste in Vorwiderständen oder ähnlichem ergeben. Vorzugsweise ist der Kondensator für eine an ihm anliegende maximale Ladespannung von weniger als 9 Volt, vorzugsweise von weniger als 7 Volt, ausgelegt. Häufig ist die maximale Ladespannung durch die Durchschlagsfestigkeit des Kondensators bestimmt. Die erfindungs gemäße Schaltungsanordnung ermöglicht auch bei Verwendung von Kon densatoren mit geringer Durchschlagfestigkeit eine wirtschaftliche Ausnutzung der vom Rücklicht aufgenommenen elektrischen Leistung.

Bei einer Weiterbildung ist die an dem Kondensator anlegbare Ladespannung schaltungstechnisch auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt. Bei einer solchen Ausgestaltung ist dem Kondensator eine Z-Diode parallel geschaltet. Bei einer anderen solchen Ausgestaltung begrenzt eine Transistorschaltung die maximale, an dem Kondensator anliegende Spannung. Durch die Spannungs begrenzung ist der Kondensator vor Beschädigungen geschützt.

Bei einer anderen Weiterbildung weist die Schaltungsanordnung eine Steuer schaltung auf, durch die die Ladestromstärke des Kondensators in Abhängig keit von der Differenz zwischen der an dem Strompfad anliegenden Ver sorgungsspannung und der Kondensatorspannung steuerbar ist. Mit Hilfe der Steuerschaltung kann der Betrieb der Leuchtdiode mit einer vorgegebenen Lichtleistung gewährleistet werden, sofern dieses mit der jeweils anliegenden Spannung möglich ist. Bei hoher Spannung kann der Kondensator gleichzeitig während des Betriebes der Leuchtdiode geladen werden. Bei niedrigerer Spannung wird die Ladestromstärke unter Umständen bis auf Null reduziert.

Bei noch einer Weiterbildung weist die Schaltungsanordnung eine Regler schaltung auf, durch die ein Betriebsstrom der mindestens einen Leuchtdiode auf einen zumindest annähernd konstanten Wert regelbar ist. Insbesondere beim Einsatz der Schaltungsanordnung in der Beleuchtungsanlage eines Fahrrades kann so während des Fahrens eine konstante Lichtleistung erzeugt werden. Günstig ist es, wenn die mit Hilfe der in dem Kondensator gespei cherten Energie erzeugte Lichtleistung während des Stillstandes des Fahrrad es geringer ist. In diesem Fall regelt die Reglerschaltung den Betriebsstrom auf einen niedrigeren Wert als während des Fahrens.

Eine andere Weiterbildung sieht vor, daß die Schaltungsanordnung eine Steuerschaltung hat, durch die eine Ladestromstärke des Kondensators in Abhängigkeit vom Betriebsstrom einer oder mehrerer Leuchtdioden steuerbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer an einer Strom quelle angeschlossenen Schaltungsanordnung mindestens einer Leuchtdiode und einem Kondensator zum Speichern von Energie für den Betrieb der minde stens einen Leuchtdiode wird der Kondensator mit zumindest einem Teil eines Betriebsstromes der mindestens einen Leuchtdiode geladen. Auf diese Weise wird der Ladestrom des Kondensators auch für den Betrieb der Leuchtdiode verwendet. Ein zusätzlicher Ladestrom ist nicht erforderlich.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Zeichnung beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanord nung und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsan ordnung.

Die in Fig. 1 in einem Prinzipschaltbild gezeigte Schaltungsanordnung 2 wird von einem Dynamo 1 versorgt, der an den Anschlüssen 8 der Schal tungsanordnung 2 angeschlossen ist. Die Schaltungsanordnung 2 kann in insgesamt 4 Einheiten A-D untergliedert werden:

- Eine Kondensatoreinheit A mit einem oder mehreren Kondensatoren, die in spezieller Ausgestaltung mit einer Spannungsbegrenzung kombinierbar sind,
- eine Leuchtdiodeneinheit B, mit mindestens einer Leuchtdiode 3 und einer Reglerschaltung 7 zur Regelung eines Betriebsstromes der Leucht diode 3 auf einen zumindest annähernd konstanten Wert,
- eine Schalteinheit C zur Erzeugung unterschiedlicher Schaltzustände der Kondensatoreinheit A und der Leuchtdiodeneinheit B und
- eine Gleichrichtereinheit D zur Erzeugung einer Versorgungsgleichspan nung.

Wenn die Versorgungsspannung höher ist als die Summe aus der Kondensa torspannung und die für den Betrieb der Leuchtdiodeneinheit B erforderli chen Mindestspannung, ist in der Schalteinheit B der Schalter S₁ geschlos sen, während die Schalter S₂ und S₃ geöffnet sind. Die Schalter S₁, S₂ und S₃ können tatsächliche Bauteile sein oder dienen insbesondere auch zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Schaltung. Die Kondensatoreinheit A und die Leuchtdiodeneinheit B sind auf dem Strompfad zwischen den Schal tungspunkten 9 in der Gleichrichtereinheit D in Reihe geschaltet, so daß der Kondensator 4 mit dem Betriebsstrom der Leuchtdiode 3 geladen wird. Um eine Überladung des Kondensators 4 zu verhindern, ist beispielsweise eine Z-Diode parallel zu dem Kondensator 4 geschaltet. Der Überladeschutz kann auch von der Schalteinheit C übernommen werden, in dem bei Erreichen einer vorgegebenen Kondensator-Sollsparinung der Schalter S₁ geöffnet wird und der Schalter S₂ geschlossen wird.

Ist die Betriebsspannung zwischen den Anschlüssen 8 bzw. zwischen den Schaltungspunkten 9 kleiner als die Summe der Kondensator-Sollspannung und der für den Betrieb der Leuchtdiodeneinheit B erforderlichen Mindest spannung, dann reicht die Betriebsspannung nicht aus, um den Kondensator 4 bis zur Sollspannung zu laden, da die an der Leuchtdiodeeinheit B ab fallende Spannung U_B im Verlauf des Ladevorganges zu klein wird. Die Schalteinheit C bricht die Ladung des Kondensators 4 daher ab, in dem sie den Schalter S₁ öffnet und den Schalter S₂ schließt. Der Schalter S₃ ist dabei geöffnet. Derselbe Schaltzustand liegt vor, wenn die Betriebsspannung kleiner als die Summe aus der Kondensatorspannung und dem erforderlichen Mindestwert der Spannung U_B ist. Solch geringe Betriebsspannungen treten beispielsweise in der Beleuchtungsanlage eines Fahrrades bei geringen Fahr geschwindigkeiten auf.

Ist die Betriebsspannung kleiner als der erforderliche Mindestwert für die Spannung U_B, wie dies beispielsweise bei Stillstand eines Fahrrades vor kommt, so sind die Schalter S₂ und S₃ geschlossen sowie der Schalter S₁ geöffnet, so daß der Kondensator 4 über die Leuchtdiodeneinheit B entladen wird. Durch einen Widerstand R, der mit der Schließung des Schalters S₃ zugeschaltet wird, wird ein geringerer Betriebsstrom durch die Leuchtdioden einheit B als beim Vorhandensein einer größeren Betriebsspannung erreicht, wodurch eine hohe Zeitkonstante für die Entladung des Kondensators 4 vorhanden ist.

Der Schalter S₂ ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung durch einen elek tronisch regelbaren Widerstand ersetzt, wie er gestrichelt angeschlossen parallel zum Schalter S₂ dargestellt ist. Dadurch läßt sich ein beliebiger Teilstrom des Leuchtdioden-Betriebsstromes am Kondensator 4 vorbeileiten, so daß der Ladestrom entsprechend reduziert wird. Durch eine allmähliche Verringerung des Ladestromes vom vollen Betriebsstrom auf den Wert Null kann auch der Spannungsabfall am Innenwiderstand des Kondensators 4 bis auf Null verkleinert werden, so daß kein Spannungssprung nach dem Ab schalten des Stromes mehr auftritt und die zur Verfügung stehende Spannung voll ausgenutzt werden kann. An Stelle des Schalters S₂ bzw. des regelbaren Widerstandes ist auch ein Transistor einsetzbar, der entsprechend angesteuert wird.

Das in Fig. 2 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel, eine Schaltungsanord nung 12, ist entsprechend der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung 2 in vier Untereinheiten A-D gegliedert. In der Kondensatoreinheit A sind zwei Kondensatoren 4 und eine Z-Diode 10 zueinander parallel geschaltet. Die Z-Diode 10 dient als Einrichtung zur Spannungsbegrenzung, die eine Über ladung der Kondensatoren 4 verhindert.

Die Leuchtdiodeneinheit B weist zwei zueinander parallel geschaltete Leucht dioden 3 in Reihe mit jeweils der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors T₁, T₂ und mit einem Widerstand auf. Die dort geschaltete Z-Diode 10, die jeweils parallel zur Basis-Emitter-Strecke der Transistoren T₁, T₂ und zum in Reihe geschalteten Widerstand ist, dient als Referenzelement für eine mit den Transistoren T₁, T₂, mit den in Reihe geschalteten Widerständen und mit einem weiteren, der Z-Diode 10 vorgeschalteten Widerstand gebildeten Reglerschaltung 7 zur Regelung des Betriebsstromes der Leuchtdioden 3 auf einen zumindest annähernd konstanten Wert.

Anstelle der Schalter S₃ und S₁ in der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanord nung 2 weist die Schaltungsanordnung 12 jeweils eine Halbleiterdiode 11 auf. Die dargestellten Dioden verhalten sich in Abhängigkeit von der Polari tät der angelegten Spannung wie die geöffneten bzw. geschlossenen Schalter S₁ und S₃. Die Funktion des einstellbaren Widerstandes wird von dem Transistor T₅ in Kombination mit den Transistoren T₃ und T₄ übernommen. Die Transistoren T₃ und T₄ bilden eine Steuerschaltung 6, durch die die Ladestromstärke des Kondensators in Abhängigkeit von der Differenz zwi schen der an den Schaltungspunkten 9 des Strompfades 15 anliegenden Versorgungsspannung und der Kondensatorspannung gesteuert wird. Je gerin ger diese Spannung ist, desto kleiner ist der Ladestrom der Kondensatoren 4.

Bei einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ßen Schaltungsanordnung steuert anstelle des in Fig. 1 gezeigten Schalters S₂ ein Schwellwertschalter den Ladestrom des Kondensators 4 bzw. der Kondensatoren 4 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Versorgungs spannung und Kondensatorspannung. Ist ein Schwellwert dieser Spannung überschritten, so wird der Beladestrom mittels des als Schalter wirkenden Transistors T₅ eingeschaltet bzw. umgekehrt. Bei noch einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Änderung des Betriebsstromes durch die Leuchtdiodeneinheit B als Signalgröße für eine Steuerung des Ladestro mes ausgewertet.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und durch das erfindungs gemäße Verfahren kann eine Absenkung der Dynamo-Klemmenspannung während der Kondensatorladung nahezu gänzlich vermieden werden. Die Helligkeit der Fahrradbeleuchtung wird damit nicht mehr beeinträchtigt. Im Vergleich zu bisher bekannten Schaltungsanordnungen ist ein wirtschaftlicher Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch mit höheren Be triebsspannungen möglich. Bei Verwendung der Schaltungsanordnung für ein Fahrrad-Rücklicht mit Standlichtfunktion wird die Schaltungsanordnung daher vorzugsweise von einem Dynamo versorgt, der eine Nennspannung von 12 Volt aufweist.

Bezugszeichenliste

1

Dynamo

2

;

12

Schaltungsanordnung

3

Leuchtdiode

4

Kondensator

5

;

15

Strompfad

6

Steuerschaltung

7

Reglerschaltung

8

Anschluß

9

Schaltungspunkt in Gleichrichtereinheit

10

Z-Diode

11

Halbleiterdiode
A Kondensatoreinheit
B Leuchtdiodeneinheit
C Schalteinheit
D Gleichrichtereinheit
S₁

-S₃

Schalter
T₁

-T₅

Transistor
U_B

Spannung an Leuchtdiodeneinheit

Claims

1. Durch eine Stromquelle (1) versorgbare Schaltungsanordnung (2; 12) mit mindestens einer Leuchtdiode (3) und einem Kondensator (4) zum Speichern von Energie für den Betrieb der mindestens einen Leucht diode (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (2; 12) einen mit seinen Enden an die Stromquelle (1) anschließbaren Strompfad (5; 15) aufweist, auf dem der Kondensator (4) in Reihe zu der minde stens einen Leuchtdiode (3) liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (2; 12) für die Beleuchtungsanlage eines Fahrrades angepaßt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (1) ein Dynamo ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad (5; 15) an einer Stromquelle (1) angeschlossen ist, die Spannungen von mehr als 6 Volt, vorzugsweise von etwa 12 Volt, erreicht.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (4) für eine an ihm anliegende maximale Ladespannung von weniger als 9 Volt, vorzugsweise von weniger als 7 Volt, ausgelegt ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Kondensator (4) anlegbare Ladespan nung schaltungstechnisch auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (12) eine Steuerschaltung (6) aufweist, durch die eine Ladestromstärke des Kondensators (4) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Versorgungsspannung und der Kondensatorspannung steuerbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (12) eine Steuerschaltung (6) aufweist, durch die eine Ladestromstärke des Kondensators (4) in Abhängigkeit vom Betriebsstrom einer oder mehrerer Leuchtdioden steuerbar ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (12) eine Reglerschaltung (7) aufweist, durch die ein Betriebsstrom der mindestens einen Leucht diode (3) auf einen zumindest annähernd konstanten Wert regelbar ist.

10. Verfahren zum Betrieb einer an einer Stromquelle (1) angeschlossenen Schaltungsanordnung (2; 12) mit mindestens einer Leuchtdiode (3) und einem Kondensator (4) zum Speichern von Energie für den Betrieb der mindestens einen Leuchtdiode (3), wobei der Kondensator (4) mit zumindest einem Teil eines Betriebsstromes der mindestens einen Leuchtdiode (3) geladen wird.