DE20113640U1

DE20113640U1 - Schaltungsanordnung zum Betrieb lichtemittierender Dioden

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Publication number: DE20113640U1
Application number: DE20113640U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2001-12-06
Anticipated expiration: 2011-08-18
Also published as: DE10125852A1; WO2002096161A1; EP1396177A1

Description

1. Michael Kohls, Altengammer Eibdeich 184, D-21039 Hamburg

2. Birger Buhk, Curslacker Deich 43, D-21039 Hamburg

Schaltungsanordnung
Dioden

zum Betrieb lichtemittierender

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
Betrieb lichtemittierender Dioden.

In vielen Bereichen der kommerziellen Technik aber auch in vielen Bereichen der privaten Nutzung werden lichtemittierende Dioden, im Folgenden kurz Leuchtdioden (Light-Emitting-Diods) genannt, eingesetzt. Während vor noch nicht allzu langer Zeit die Leuchtdioden aufgrund ihrer bis dahin physikalisch bedingten geringen Lichtstärke überwiegend lediglich als Signallampen eingesetzt wurden, stehen neuerdings bis zur Marktreife entwickelte Leuchtdioden zur Verfügung, die eine Lichtstärke von bis zu 3.600 mcd aufweisen. Diese Leuchtdioden werden

aufgrund der jetzt zur Verfügung stehenden großen Lichtstärke in zunehmendem Maß auch als Leuchtmittel zum Einsatz gebracht. Diese Nutzung der Leuchtdioden zeichnet sich durch extrem geringen Stromverbrauch und lange Lebensdauer aus, die > 10 Stunden beträgt, was einer Lebensdauer von 27 Jahren entspricht. Der Vorteil mit Leuchtdioden bestückter Leuchtmittel ist neben der langen Lebensdauer auch, daß nahezu keine Wärmeentwicklung auftritt.

Ein wesentlicher Nachteil bekannter, mit Leuchtdioden ausgerüsteter Leuchtmittel ist jedoch, daß diese Leuchtmittel bestimmungsgemäß ein Netzteil benötigen, um sie bspw. an der Spannung der örtlichen Spannungsnetze zu betreiben, bspw. 230 Volt Wechselspannung, wie sie im allgemeinen in europäischen 1-Phasenspannungsnetzen zur Verfügung steht, bzw. 110 Volt Wechselspannung, wie sie bspw. überwiegend im Bereich der US-1-Phasen-Spannungsnetze herrscht. Diese Netzteile erfordern regelmäßig einen Transformator und ein nachgeschaltetes Netzteil, mit dem aus der angelieferten Wechselspannung eine für den Betrieb der Leuchtdioden zwingend notwendige Gleichspannung hergestellt wird. Die durchschnittliche Lebensdauer eines Transformators und auch die eines nachgeschalteten Netzteils zur Erzeugung der Gleichspannung ist deutlich geringer als die Lebensdauer einer Leuchtdiode. Hinzu kommt, daß der Transformator und das Netzteil an das jeweils einzusetzen gewünschte Leuchtmittel in bezug auf Netzspannung und die erwartbare Leistungsaufnahme stets neu angepaßt werden muß.

Es ist ein Leuchtmittel mit Leuchtdioden mit integriertem Transformator bekannt geworden, das sich jedoch äußerst anfällig in bezug auf Störungen in der Netz-

spannung zeigte mit der Folge, daß es aufgrund der normalerweise nicht zu verhindernden Spannungsschwankungen und Störungen in der Netzspannung zu einer Zerstörung der Leuchtmittel führte. Eine Beseitigung der Störempfindlichkeit ist bis zum heutigen Tag nicht gelungen.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der Leuchtdioden an unterschiedlichsten Spannungen betrieben werden können, ohne daß ein Netzteil und/oder ein Transformator zum Betrieb der Schaltungsanordnung nötig ist, wobei die Schaltung äußerst einfach und auch unter Heranziehung im Handel erhältlicher Standardbaukomponenten realisiert und damit kostengünstig herstellbar und bereitstell bar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Schaltungseinheit, die eine Stromquelle, die mit wenigstens einer nachfolgend in Reihe geschalteten Leuchtdiode verbunden ist, umfaßt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß unabhängig von der Versorgungsspannung zum Betrieb der Schaltungsanordnung die Leuchtdiode immer mit einem konstanten Strom versorgt wird bzw. durch die Diode immer ein konstanter Strom hindurchfließt.

Vorzugsweise ist parallel zur Leuchtdiode eine Zenerdiode geschaltet, die bewirkt, daß im Fall eines Defekts der Leuchtdiode, bspw. einer Unterbrechung, der Strom dennoch weitergeleitet wird, so daß eine ggf. vorgesehene, zur Schaltungseinheit in Reihe geschaltete zweite Schaltungseinheit unbeeinflußt von der Störung der in

Reihe davor angeordneten Leuchtdiode arbeitet bzw. bestimmungsgemäß betrieben werden kann. Die Durchbruchsspannung der Zenerdiode wird leicht oberhalb der Durchlaßspannung der Leuchtdiode liegend gewählt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist die Stromquelle eine Konstantstromquelle, d.h. es sind stromquellenseitig bei dieser Ausgestaltung keine gesonderten Maßnahmen erforderlich, den Ausgangsstrom konstant zu regeln, d.h. eine derart ausgebildete Stromquelle ist dazu selbst in der Lage.

Bei einer weiteren anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sind zwei Leuchtdioden in Reihe geschaltet, wobei dann, wenn auch eine Zenerdiode vorgesehen ist, die Zenerdiode parallel zu beiden Leuchtdioden geschaltet ist. In diesem Fall werden dann zwei Leuchtdioden von einer Stromquelle eingangsspannungsunabhängig mit dem gewünschten, wählbaren Strom versorgt.

Die Schaltungsanordnung ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, daß sie nicht nur mit Gleichspannung betreibbar ist, sondern mit Netzspannung (1-Phasenwechselspannung, 3-Phasenwechselspannung), wie sie in den örtlichen Spannungsversorgungsnetzen gewöhnlicherweise herrscht. Die Frequenz der Netzspannung ist dabei unbeachtlich, denn die Schaltungsanordnung ist faktisch mit Gleichspannung (0 Hz) bis zu den ortsüblichen Frequenzen der Netzspannung (bis 60 Hz und mehr) betreibbar.

Wird, wie vorangehend erläutert, die Schaltungseinheit bzw. eine Mehrzahl hintereinander geschalteter Schaltungseinheiten eingangsseitig mit einer Netzspannung

versorgt, die eine Wechselspannung ist, ist der Schaltungsanordnung vorteilhafterweise eine Gleichrichtereinrichtung vorgeschaltet, deren Eingang, der den Netzspannungseingang der Schaltungsanordnung bildet, mit der Netzspannung verbunden ist. In diesem Fall ist es ausreichend, daß von der Gleichrichtereinrichtung zum bestimmungsgemäßen Betrieb der Schaltungsanordnung eine pulsierende Gleichspannung erzeugt wird.

Die Stromquelle selbst kann vorzugsweise in Form eines integrierten Schaltkreises ausgebildet sein, wobei dieser Schaltkreis zweckmäßigerweise durch einen Schaltkreis der Typenbezeichnung TI 317 (Texas Instruments) gebildet wird, der unter der gleichen Typenbezeichnung 317 auch von anderen Anbietern zur Verfügung gestellt wird.

Um sicherzustellen, daß eine möglichst hohe Lichtstärke mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erreicht wird, werden vorteilhafterweise Leuchtdioden in Form ultraheller Leuchtdioden (ultra-bright-LED-1amp) ausgewählt, die in nahezu allen Farben verfügbar sind und das nach heutigen physikalischem Wissen in bezug auf die erreichbare Lichtstärke Optimale darstellen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Standardleuchtdioden auszubilden, wobei die Art der Auswahl der Leuchtdioden, die in der Schaltungsanordnung zur Anwendung kommen sollen, nach der Art des bestimmungsgemäßen Einsatzes der Schaltungsanordnung erfolgt.

Die Erfindung wir nun unter Bezugnahme auf die nachfolgende schematische Zeichnung im einzelnen beschrieben. Darin zeigt:

• · « a

in Form eines Blockschaltbildes die Schaltungsanordnung, die aus zehn hintereinandergeschalteten Schaltungseinheiten ausgebildet ist.

Die in der Fig. dargestellte Schaltungsanordnung 10 besteht hier beispielhaft aus zehn hintereinandergeschalteten Schaltungseinheiten 11, die mit einer Gleichrichterschaltung 17 verbunden sind, die die Versorgungsspannung für den Betrieb der Schaltungseinheiten 11 1iefert.

Eine Schaltungseinheit 11 besteht jeweils aus einer Stromquelle 12,, die geeignet beschaltet bspw. einen konstanten Strom von 25 mA liefert. Die Stromquelle 12, wird hier beispielhaft durch einen integrierten Schaltkreis (3-Terminal Adjustable Regulator TI 317, Texas Instruments) gebildet. Andere Hersteller derartiger integrierter Bauelemente bieten gleichwertige Stromquellen 12, an, mit denen auf gleiche Weise Konstantströme erzeugt werden können.

In Reihe mit der Stromquelle 12j sind hier beispielhaft zwei in Reihe geschaltete Leuchtdioden 13,, 14,
schaltet, die die eigentlichen Leuchtelemente
Schaltungsanordnung 10 darstellen. Parallel zu
beiden in Reihe geschalteten Leuchtdioden 13,, 14,
eine Zenerdiode 15, geschaltet.

der den ist

In der Schaltungsanordnung 10 sind beispielhaft zehn Schaltungseinheiten 11 in Reihe hintereinandergeschaltet, wobei alle Schaltungseinheiten 11 einen identischen Aufbau aufweisen, wie er vorgeschrieben worden ist.

In Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung, d.h. einer 1-

bzw. 3-phasigen Wechselspannung oder auch einer ggf. vorhandenen, geeignet zugeführten Gleichspannung, wird die Schaltungsanordnung 10 betrieben, und zwar entsprechend der Art und Anzahl der Leuchtdioden 13.

¹⁴I... 10*

¹I. . .

Im Fall einer Wechselspannung als Netzspannung 16 wird diese auf eine hier bspw. als Brückengleichrichterschaltung ausgebildete Gleichrichterschaltung 17 gegeben, wobei die Netzspannung 16 an den Eingängen 18 der Gleichrichterschaltung 17 anliegt. Die Gleichrichterschaltung 17 erzeugt eine pulsierende Gleichspannung, die an den Ausgängen 19 anliegt. Der positive Ausgang 19 der Gleichrichterschaltung 17 wird an den Eingang (IN) der Stromquelle 12, der ersten Schaltungseinheit 11 gegeben. Der negative Ausgang 19 der Gleichtrichterschaltung 17 ist mit der Kathode der Zenerdiode 14,_Q der zehnten Schaltungseinheit 11 verbunden.

Zwischen dem positiven und negativen Ausgang 19 der Gleichrichterschaltung 17 ist ein Kondensator 20 geschaltet, der Schaltspitzen in der Netzspannung 16 oder sonstige Störungen kurzschließt.

Die Schaltungsanordnung 10 ist derart variabel, daß pro Schaltungseinheit 11 grundsätzlich nur eine Leuchtdiode 13 vorgesehen zu werden braucht. Die parallel zu den Leuchtdioden 13, 14 geschaltete Zenerdiode 15 ist grundsätzlich nicht erforderlich. Sie hat aber eine die Betriebssicherheit der Schaltungsanordnung 10 sehr stark erhöhende Wirkung für den Fall, daß bspw. eine Leuchtdiode 13 oder 14 durch Unterbrechung und dgl. defekt ist. Die Zenerdiode 15 wird in bezug auf ihre Durchbruchsspannung geringfügig oberhalb der Summe der beiden Durchlaßspannungen der beiden hintereinandergeschalteten

Leuchtdioden 13, 14 festgelegt, so daß im Störungsfall der von der vorgeschalteten Stromquelle herkommende Strom von bspw. 25 mA über die Zenerdiode 15 weitergeleitet wird, und zwar auf die der ersten Schaltungseinheit 11 nachfolgende Schaltungseinheit 11 usw.. Durch den Ausfall einer Leuchtdiode 13 oder 14 in einer Schaltungseinheit 11 wird also maximal die zweite Leuchtdiode 13 oder 14 in der betroffenen Schaltungseinheit 11 im Störungsfalls einer Leuchtdiode 13 oder 14 in Mitleidenschaft gezogen. Die übrige Schaltungsanordnung 10 bzw. die übrigen Schaltungseinheiten 11 arbeitet bzw. arbeiten bestimmungsgemäß unbeeinflußt weiter.

Wie schon erwähnt, erzeugt die Gleichrichterschaltung 17 eine pulsierende Gleichspannung, die an den Ausgängen 19 der Gleichrichterschaltung 17 anliegt. Bei beispielhaft zehn hintereinandergeschalteten Schaltungseinheiten 11 in einer Schaltungsanordnung 10 fällt ungefähr der zehnte Teil der hinter der Gleichrichterschaltung 17 liegenden pulsierenden Gleichspannung ab. Da der Widerstand der verwendeten Schaltungseinheiten 11 in Form der integrierten Schaltungen gemäß dem hier bspw. verwendeten Schaltkreis TI 317 abhängig vom auf seiner Ausgangsseite (OUT) fließenden Strom geregelt wird, wird der erforderliche Leuchtdiodenstrom von ca. 25 mA bereits verhältnismäßig früh innerhalb der Sinus-Halbwelle erreicht und erst relativ spät in der Halbwelle wieder unterschritten, so daß praktisch von einem Gleichstrom ausgegangen werden kann, der durch alle 20 Leuchtdioden 13, 14 fließt.

Die hier beispielhaft beschriebenen und verwendeten elektronischen Bauelemente (Stromquelle 12, Leuchtdioden 13, 14 und Zenerdiode 15) ermöglichen einen extrem kompakten Aufbau der Schaltungsanordnung 10. Aufgrund

der zu erwartenden sehr hohen Lebensdauer der Schaltungsanordnung 10 eignet diese sich insbesondere auch zum Einsatz für bzw. in Leuchten, die nur schwer oder gar nicht zugänglich sind.

10

Bezugszeichenli ste

10 Schaltungsanordnung

11 Schaltungseinheit

12 Stromquelle

13 Leuchtdiode

14 Leuchtdiode

15 Zenerdiode

16 Netzspannung

17 Gleichrichterschaltung

18 Eingang Gleichrichterschaltung

19 Ausgang Gleichrichterschaltung

20 Kondensator

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb lichtemittierender Dioden, gekennzeichnet durch eine Schalteinheit, die eine Stromquelle (12), die mit wenigstens einer nachfolgend in Reihe geschalteten Leuchtdiode (13; 14) verbunden ist, umfaßt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Leuchtdiode (13; 14) eine Zenerdiode (15) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (12) eine Konstantstromquelle ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Leuchtdioden (13, 14) in Reihe geschaltet sind, wobei die Zenerdiode (15) parallel zu beiden Leuchtdioden (13, 14) geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl der Schaltungseinheiten (11) in Reihe hintereinandergeschaltet sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (10) mit Netzspannung (16) (1-Phasenwechselspannung, 3-Phasenwechselspannung) betreibbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungseinheit (11) bzw. der Mehrzahl hintereinandergeschalteter Schaltungseinheiten (11 ₁ . . . 11 _u) eingangsseitig eine Gleichrichtereinrichtung (17) vorgeschaltet ist, deren Eingang (18) mit der Netzspannung (16) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (12) in Form eines integrierten Bausteins ausgebildet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (13, 14) in Form einer ultrahellen Leuchtdiode (ultra-bright-LED-lamp) ausgebildet ist.