DE202004014727U1

DE202004014727U1 - Versorgungsschaltung für einen Verbraucher

Info

Publication number: DE202004014727U1
Application number: DE202004014727U
Authority: DE
Original assignee: Asentics & Co KG GmbH
Current assignee: Asentics & Co KG GmbH
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2014-09-23

Abstract

Versorgungsschaltung für einen Verbraucher (10), der nur kurzzeitig eine hohe Stromaufnahme verträgt, mit einer Spannungsquelle (11) und einem mit dem Verbraucher (10) in Reihe geschalteten Steuerschalter (13), dadurch gekennzeichnet , dass zwischen der Spannungsquelle (11) und der Reihenschaltung aus Steuerschalter (13) und Verbraucher (10) ein Leistungsregler zur Leistungsbegrenzung vorgesehen ist und dass der Ausgang (A) des Leistungsreglers (12) mit einem Energiespeicher (14) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Versorgungsschaltung für einen Verbraucher, der kurzzeitig eine hohe Stromaufnahme verträgt, insbesondere für die Stromversorgung von Leuchtdioden.
Elektrische Verbraucher wie beispielsweise Leuchtdioden können kurzzeitig bzw. im Impulsbetrieb mit hoher Leistung betrieben werden. Bei zu großer Dauer des Hochleistungsbetriebes wird der Verbraucher thermisch zerstört. Bekannt ist eine Blitzansteuerung für Leuchtdioden, wobei die Leuchtdioden im Impulsbetrieb angesteuert werden. Die zwischen den Impulsen vorhandene Impulspause reicht für eine thermische Regenerierung der Leuchtdiode aus. Solche Blitzbeleuchtungen sind geeignet für das intermittierende Blitzen. Ferner können Leuchtdioden im Dauerlichtbetrieb betrieben werden, jedoch nur mit geringer Leuchtstärke. Hierbei muss der Strom auf einen für die Leuchtdiode im Dauerzustand verträglichen Wert begrenzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Versorgungsschaltung für einen nur kurzzeitig hoch belastbaren Verbraucher zu schaffen, die einen Impulsbetrieb mit Impulsen variierender Impulsdauer bis hin zum Dauerbetrieb ermöglicht, ohne die Gefahr des Zerstörens des Verbrauchers.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist zwischen der Spannungsquelle und einer Reihenschaltung aus Steuerschalter und Verbraucher ein Leistungsregler vorgesehen, der die der Spannungsquelle entnommene Leistung begrenzt. Der Ausgang des Leistungsreglers ist mit einem Energiespeicher verbunden.
Der Leistungsregler liefert über den Steuerschalter an den Verbraucher gewissermaßen den Grundstrom mit einer Stromstärke, die für den Verbraucher auch im Dauerbetrieb verträglich ist. Bei geschlossenem Steuerschalter ist der Energiespeicher dem Leistungsregler parallel geschaltet und beide beliefern den Verbraucher mit Strom. Durch kurzzeitige niederohmige Entladung des Energiespeichers wird ein hoher Strom im Verbraucher erzeugt, der sich dem Grundstrom des Leistungsreglers überlagert. Auf diese Weise wird der Verbraucher eine kurze Zeit im Hochleistungsbetrieb gehalten. Dieser Hochleistungsbetrieb klingt mit zunehmender Entladung des Energiespeichers ab. Er wird entweder durch Sperren des Steuerschalters beendet oder er klingt auf den Grundstrom ab, der von dem Leistungsregler geliefert wird.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass der Verbraucher im Impulsbetrieb mit variierender Impulsbreite betrieben werden kann bis hin zum Dauerbetrieb, ohne dass die Gefahr einer Überlastung des Verbrauchers besteht. Die Stromversorgung des Verbrauchers ist adaptiv, so dass für beliebige einstellbare Impulsfolgen des Steuerschalters die Stromstärke immer unter dem für den Verbraucher zulässigen Wert bleibt. Die Erfindung maximiert die dem Verbraucher zugeführte Leistung unter Berücksichtigung der spezifischen Zeit-Verlustleistungskurve des jeweiligen Verbrauchers. Diese Verlustleistungskurve dart nicht überschritten werden, ohne dass der Verbraucher dauerhaft beschädigt wird. Die Schaltung begrenzt die dem Verbraucher zugeführte Leistung so, dass die Kurve der Verlustleistung über der Zeit angenähert wird. Dafür kommt eine mehrstufige Treppenfunktion in Betracht oder eine Exponenzialfunktion.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Steuerung von Leuchtdioden, ist hierauf aber nicht beschränkt. In der erfindungsgemäßen Weise können auch beispielsweise Glühbirnen oder andere Lichtquellen gesteuert werden, denen kurzzeitig eine hohe Leistung abverlangt werden kann. Auch andere elektrische Verbraucher wie z.B. Elektromotoren, können in dieser Weise gesteuert werden.
Mit Dauerstrom oder Grundstrom wird der für den Verbraucher zulässige Strom bezeichnet, der unendlich lange durch den Verbraucher fließen kann, ohne diesen zu zerstören. Unter Blitzansteuerung wird eine Vorrichtung verstanden, die eine elektrische Lichtquelle kurzzeitig ein- und ausschaltet, mit dem Ziel, innerhalb einer kurzen Zeitspanne eine große Lichtmenge zu erzeugen. Die Verlustleistung des Verbrauchers ist die im Verbraucher in Wärme umgewandelte elektrische Leistung, die für den eigentlichen Zweck des Verbrauchers nicht ausgenutzt wird.
Der Begriff Spannungsquelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung breit zu verstehen. Er umfasst nicht nur Konstantspannungsquellen, sondern jegliche Art von elektrischer Energiequelle, die eine Spannung zur Verfügung stellt, welche nicht notwendigerweise konstant sein muss. Der Leistungsregler stellt an seinem Ausgang eine elektrische Leistung zur Verfügung, die begrenzt ist. Diese Leistung wird dann geliefert, wenn die an den Ausgang angeschlossene Schaltung sie abnimmt. Wenn die Spannungsquelle eine konstante Versorgungsspannung zur Verfügung stellt, kann der Leistungsregler im einfachsten Fall aus einem Strombegrenzungswiderstand bestehen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, ohne dass hierdurch der Schutzbereich der Erfindung eingeschränkt werden soll. Dieser wird vielmehr durch die Ansprüche bestimmt.
Es zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild der Versorgungsschaltung,
2 ein Zeitdiagramm des maximal zulässigen Stroms durch den Verbraucher, und
3 ein Diagramm des Betriebes der Versorgungsschaltung von 1.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Verbraucher 10 eine Leuchtdiode LED, die als Lichtquelle für die Beleuchtung eines Gegenstandes benutzt wird, der von einer Videokamera aufgenommen werden soll. Anstelle einer einzelnen Leuchtdiode kann auch ein Leuchtdiodenarray benutzt werden.
Die Versorgungsschaltung weist eine Spannungsquelle 11 auf, bei der es sich beispielsweise um eine Konstantspannungsquelle handelt. An die Spannungsquelle 11 ist ein Leistungsregler 12 angeschlossen, der die an seinem Ausgang A abgegebene Leistung auf einen einstellbaren Maximalwert begrenzt.
An den Ausgang A des Leistungsreglers ist eine Reihenschaltung aus einem Steuerschalter 13 und dem Verbraucher 10 angeschlossen. Der Steuerschalter 13 kann beispielsweise ein manuell gesteuerter Schalter sein. Alternativ kann der Steuerschalter von einer (nicht dargestellten) Impulserzeugerschaltung getriggert werden. In jedem Fall ist der Schalter 13 so ausgebildet, dass er mit variierenden Schließdauern betrieben werden kann.
An den Ausgang A des Leistungsreglers 12 ist ferner ein Energiespeicher 14 angeschlossen, der der Reihenschaltung aus Steuerschalter 13 und Verbraucher 10 parallel geschaltet ist. Der Energiespeicher 14 ist vorzugsweise ein Kondensator, jedoch wäre auch eine Induktivität möglich.
2 zeigt die Kurve I_max des maximal zulässigen Stroms durch den Verbraucher 10 in Abhängigkeit von der Zeit t. In 2 ist ein Impuls 16 dargestellt, mit dem der Verbraucher betrieben werden kann, ohne dass die Gefahr der Zerstörung besteht, weil der Impuls 16 unterhalb der Kurve des maximal zulässigen Stroms I_max bleibt. Hätte der Impuls 16 eine längere Dauer, würde die Zulässigkeitsgrenze überschritten werden.
Der Dauerstrom, den der Verbraucher 10 im Dauerbetrieb verträgt, ist mit I_D bezeichnet. Der Leistungsregler 12 begrenzt die Leistung auf einen Wert, der einem Strom entspricht, welcher etwas kleiner ist als der Dauerstrom I_D.
In 3 ist ein Zeitdiagramm als Beispiel eines Betriebes des Verbrauchers dargestellt. S bezeichnet die Stellung des Steuerschalters 13, wobei die dargestellten Impulse die Einschaltzeiten bezeichnen.
Mit I_LED ist der Strom durch den Verbraucher dargestellt, der durch die Schaltung in 1 erzeugt wird. Während eines langen Steuerimpulses 20 wird zunächst durch Schließen des Steuerschalters 13 ein Stromanstieg 21 erzeugt, bei dem sich der Energiespeicher 14 über den Verbraucher 10 entlädt. Die Entladekurve 22 folgt in bekannter Weise einer e-Funktion und klingt schließlich auf den Grundstrom I_G ab, der der von dem Leistungsregler 12 gelieferten Grenzleistung entspricht. Würde der Steuerimpuls 20 unendlich lange dauern, würde der Strom durch den Verbraucher 10 sich auf den Grenzstrom I_G einstellen.
Nach Beendigung des Steuerimpulses 20 wird der Steuerschalter 13 in den Sperrzustand gesteuert. Hierbei lädt sich der Energiespeicher 14 über den Leistungsregler 12 auf, wodurch sich die Schaltung regeneriert. Bei einem nachfolgenden Steuerimpuls 23 entlädt sich der Energiespeicher 14 und der Entladestrom überlagert sich dem von dem Leistungsregler 12 gelieferten Grundstrom. Dadurch entsteht ein Stromimpuls 24 durch den Verbraucher 10. Dieser Stromimpuls klingt ebenfalls nach einer e-Funktion ab. Im Anschluss an den Steuerimpuls 23 folgt mit zeitlichem Abstand ein weiterer Steuerimpuls 25, der einen Stromimpuls 26 zur Folge hat. Die Spitze 27, mit der der Stromimpuls 26 beginnt, ist etwas höher als das Ende 28 der Spitze des Stromimpulses 24, weil sich zwischenzeitlich der Energiespeicher 14 wieder ein Stück weit aufgeladen hat.
Bei dem Ausführungsbeispiel folgt ein weiterer Steuerimpuls 29, der einen Stromimpuls 30 erzeugt. Da zwischen den Steuerimpulsen 25 und 29 nur eine kurze Lücke vorhanden ist, ist der Stromimpuls 30 gegenüber dem vorhergehenden Stromimpuls 26 stark abgeschwächt.
Man erkennt, dass die Versorgungsschaltung die Höhen der Stromimpulse jeweils in Abhängigkeit von der Nachwirkung der vorangegangenen Stromimpulse festlegt, in der Weise, dass die Kurve I_max von 2 nicht überschritten wird. Der Energiespeicher 14 lädt sich relativ hochohmig über den Leistungsregler 12 auf, wodurch das Aufladen mit einer gewissen Trägheit erfolgt. Die RC-Aufladekonstante ist so gewählt, dass die Kurve I_max des Verbrauchers 10 nicht überschritten wird. Im Anschluss an die verzögerte Aufladung des Energiespeichers entlädt der Energiespeicher 14 sich beim Schließen des Steuerschalters 13 relativ niederohmig über den Verbraucher 10.
Die erfindungsgemäße Versorgungsschaltung ermöglicht einen Betrieb des Verbrauchers mit variierenden Impulsdauern, wobei durch die Schaltung automatisch sichergestellt ist, dass keine thermische Überlastung des Verbrauchers erfolgt.

Claims

Versorgungsschaltung für einen Verbraucher (10), der nur kurzzeitig eine hohe Stromaufnahme verträgt, mit einer Spannungsquelle (11) und einem mit dem Verbraucher (10) in Reihe geschalteten Steuerschalter (13), dadurch gekennzeichnet , dass zwischen der Spannungsquelle (11) und der Reihenschaltung aus Steuerschalter (13) und Verbraucher (10) ein Leistungsregler zur Leistungsbegrenzung vorgesehen ist und dass der Ausgang (A) des Leistungsreglers (12) mit einem Energiespeicher (14) verbunden ist.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (10) eine Lichtquelle ist.
Versorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (10) eine Leuchtdiode (LED) ist.
Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (14) ein Kondensator ist.
Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschalter (13) derart gesteuert ist, dass er unterschiedliche Impulsdauern liefert.
Versorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsregler (12) ein Stromregler ist, der den Strom auf einen für den Verbraucher (10) im Dauerzustand verträglichen Wert (I_G) begrenzt.