DE202016007618U1

DE202016007618U1 - Schaltregler zum Betreiben von Leuchtmitteln mit zusätzlicher Feinregelung der Abgabeleistung

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Publication number: DE202016007618U1
Application number: DE202016007618.4U
Authority: DE
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-03-16
Anticipated expiration: 2026-12-16
Also published as: AT17533U1

Abstract

Schaltregler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln, aufweisendeinen mit einer Spule (6) gekoppelten Schalter (5),Mittel (11, 12) zum direkten oder indirekten Erfassen der über den Schalter (5) abfallenden Spannung und zur Bereitstellung eines diese Spannung wiedergebenden ersten Signals, undeine Steuerschaltung (4), die dazu ausgelegt ist, in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus einen Zeitpunkt (t) des Wiedereinschaltens des Schalters (5) entsprechend der von dem Schaltregler (3) auszugebenden Leistung zu ermitteln, gekennzeichnet durcheine Regeleinrichtung (13), die dazu ausgelegt ist, eine Abweichung zwischen dem ermittelten Zeitpunkt (t) des Wiedereinschaltens und dem tatsächlichen Zeitpunkt (t) des Wiedereinschaltens, der bei einem von dem ersten Signal angezeigten Minimum der Spannung liegt, zu bestimmen und den ermittelten Zeitpunkt (t) zu ändern, um der bestimmten Abweichung im zeitlichen Mittel entgegenzuwirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltregler zum Betreiben von Leuchtmitteln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft insbesondere Schaltregler, die in Betriebsgeräten zum Versorgen einer oder mehrerer Leuchtdioden eingesetzt werden.
Ein Betriebsgerät zum Versorgen einer oder mehrerer Leuchtdioden ist aus der WO 2013/152368 A1 bekannt. Solche Betriebsgeräte dienen hauptsächlich dazu, eine gewünschte Energieversorgung für das Leuchtmittel, wie zum Beispiel eine Leuchtdiode (LED) oder mehrere in Serie und/oder parallel verschaltete Leuchtdioden, bereitzustellen. Zusätzliche Funktionen, wie das Dimmen der Leuchtmittel, die Veränderung/Anpassung der Lichtfarbe oder die Kompensation von Schwankungen der Eingangsspannung, können in dem Betriebsgerät vorgesehen sein.
Die Lichtabstrahlung einer Leuchtdiode hängt vom Stromfluss durch die Leuchtdiode ab. Zur Helligkeitssteuerung oder Helligkeitsregelung werden Leuchtdioden daher typischerweise in einem Modus betrieben, in dem der Stromfluss durch die Leuchtdiode durch das Betriebsgerät gesteuert oder geregelt wird.
Zur Ansteuerung von Leuchtdioden können Schaltregler verwendet werden, beispielsweise Aufwärtswandler oder Abwärtswandler, die in der Technik auch als Boost-Konverter bzw. Buck-Konverter bezeichnet werden. In einem derartigen Schaltregler steuert eine Steuerschaltung (Controller) einen schnellen Schalter an, der im eingeschalteten Zustand einen Stromfluss durch eine Spule (beim Buck-Konverter auch durch die Leuchtdiode) bewirkt. Nach dem Ausschalten treibt die Spule (beim Buck-Konverter) den Strom weiter durch die Leuchtdiode.
Die Schaltregler werden je nach Anwendung im kontinuierlichen Betriebsmodus, bei dem der Schalter wiedereingeschaltet wird, bevor der Strom durch die Spule auf null abgesunken ist, im Grenzbetrieb, bei dem der Schalter wiedereingeschaltet wird, sobald der Spulenstrom auf null abgesunken ist oder die Nulllinie mit einer positiven Flanke erreicht, oder im diskontinuierlichen Betriebsmodus betrieben, bei dem der Schalter nicht sofort wiedereingeschaltet wird, sobald der Spulenstrom auf null abgesunken ist bzw. die Nulllinie mit einer positiven Flanke erreicht.
Im kontinuierlichen Betriebsmodus (nichtlückender Betrieb) und im Grenzbetrieb kann ein Dimmen der Leuchtdiode bzw. eine Änderung der Abgabeleistung des Schaltreglers sehr einfach über eine Änderung des Schwellenwerts des Spulenstroms, bei dem der Schalter ausgeschaltet wird, erfolgen. Jedoch ist ein Absenken der Abschaltschwelle für sehr niedrige Dimmpegel bzw. niedrige Abgabeströme im Grenzbetrieb oft nicht beliebig möglich, da es bei kleinen Schwellenwerten zu Problemen hinsichtlich der Erfassung und Verarbeitung des geringen Stromwerts kommen kann. Für niedrige Abgabeströme wird außerdem für den kontinuierlichen Betriebsmodus eine große Spule benötigt, was den Konverter teuer macht und seine Abmessungen vergrößert.
Im diskontinuierlichen Betriebsmodus kann eine Änderung der Abgabeleistung des Schaltreglers über eine Änderung des Wiedereinschaltzeitpunktes bzw. der Totzeit erfolgen. Ein Nachteil des diskontinuierlichen Betriebs ist, dass nach dem Ausschalten des Schalters, wenn der Strom in der Spule null wird, Oszillationen (gedämpfte Schwingung) der Spannung über dem Schalter auftreten, die aus einem aus der Spuleninduktivität und den parasitären Kapazitäten (Spule, Diode, Transistor) gebildeten Schwingkreis herrühren.
Um Schaltverluste des Schalters zu vermeiden, sollten solche Oszillationen beim Wählen des Wiedereinschaltzeitpunktes berücksichtigt bzw. der Wiedereinschaltzeitpunkt so gewählt werden, dass zum Wiedereinschaltzeitpunkt die Spannung über dem Schalter ein Minimum aufweist. Dies bedeutet jedoch, dass das Wiedereinschalten des Schalters nicht zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen kann, sondern nur in diskreten Zeitabständen, nämlich immer dann, wenn die Spannungsschwingung über dem Schalter ein Spannungsminimum zeigt. Wird der Schalter jedoch nicht zu dem der abzugebenden Leistung entsprechenden Zeitpunkt wieder eingeschaltet, sondern z.B. verspätet beim nächsten Spannungsminimum, weicht die von dem Schaltregler abgegebene Leistung (Ist-Wert) von der vorgegebenen Abgabeleistung (Soll-Wert) ab bzw. fällt niedriger aus.
Weist der Schaltregler eine Regelung der Abgabeleistung auf, kann einer solchen Abweichungen entgegengewirkt werden. Hierzu muss der Regler auf Abweichung schnell reagieren können, da andernfalls die Gefahr besteht, dass das Springen zwischen unterschiedlichen Wiedereinschaltzeitpunkten mit einer Frequenz erfolgt, die als Schwankung der Lichtleistung optisch bemerkbar ist.
Andererseits erfordern andere von dem Schaltregler bzw. dem Controller zu bewältigende Steuer- und Regel-Prozesse, wie das Dimmen, keine solch hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, so dass nur wegen des Ausregelns des bei diskreter Zuweisung des Wiedereinschaltzeitpunkts entstehenden Fehlers ein sehr schneller und somit teurer Controller vorgesehen werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren anzugeben, die die beschriebenen Probleme verringern. Aufgabe ist es insbesondere, einen Schaltregler und ein Betriebsgerät für den Betrieb von einem oder mehreren Leuchtmitteln bereitzustellen, die eine genaue Regelung mit einem kostengünstigen Aufbau erlauben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Erfindung wird durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche weitergebildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Schaltregler zum Betreiben von Leuchtmitteln einen mit einer Spule gekoppelten Schalter, Mittel zum direkten oder indirekten Erfassen der über den Schalter abfallenden Spannung und zur Bereitstellung eines dieser Spannung wiedergebenden ersten Signals, eine Steuerschaltung und eine Regeleinrichtung auf.
Die Steuerschaltung ermittelt in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus einen Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters entsprechend der von dem Schaltregler auszugebenden Leistung und die Regeleinrichtung bestimmt eine Abweichung zwischen dem ermittelten Zeitpunkt des Wiedereinschaltens und dem tatsächlichen Zeitpunkt des Wiedereinschaltens, der bei einem von dem ersten Signal angezeigten Minimum der Spannung liegt und ändert für das nächste Wiedereinschalten den ermittelten Zeitpunkt, um der bestimmten Abweichung im zeitlichen Mittel entgegenzuwirken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Korrektur einer Abweichung, die durch das nur in diskreten Zeitabständen erfolgende Wiedereinschalten bedingt ist, mit einem schnellen, nicht zu der eigentlichen Steuerschaltung gehörenden Regler, welcher den Fehler der Wiedereinschaltzeit durch das wechselnde Setzen von vorfristigen und verspäteten Wiedereinschaltzeitpunkten über mehrere Schaltzyklen im Mittel ausgleicht. Somit kann auf eine teure Steuerschaltung mit einer hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit verzichtet werden.
Der für einem diskontinuierlichen Betriebsmodus von der Steuerschaltung ermittelte oder gesetzte Zeitpunkt des Wiedereinschaltens bestimmt die Zeitdauer t_DCM, welche von dem Zeitpunkt, an dem der Spulenstrom auf null abgesunken ist oder die Nulllinie mit einer positiven Flanke erreicht bis zum Zeitpunkt des Wiedereinschaltens reicht. Alternativ kann die Steuerschaltung die Zeitdauer t_DCM an die Regeleinrichtung übermitteln bzw. vorgeben, welche die Abweichung zwischen der vorgegebenen Zeitdauer t_DCM und der tatsächlichen Zeitdauer t_DCM bestimmt und kompensiert.
Die Steuerschaltung kann als ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Controller, ein Mikrocontroller oder eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC, „Application Specific Integrated Circuit“) oder eine Kombination der genannten Einheiten ausgestaltet sein.
Die Regeleinrichtung kann zumindest einige der fortlaufend bestimmten Abweichungen kumulieren und nach dem Wiedereinschalten den ermittelten Zeitpunkt entsprechend einer Differenz zwischen dem ermittelten Zeitpunkt und der aktuell kumulierten Abweichung ändern.
Die Steuerschaltung kann den ermittelten Zeitpunkt des Wiedereinschaltens an die Regeleinrichtung übermitteln, welche diesen Zeitpunkt ändert bzw. über mehrere Schaltzyklen variiert und den jeweilig aktuell geänderten Zeitpunkt an eine Steuereinrichtung (Schaltpuls-Generator) des Schaltreglers sendet. Die Steuereinrichtung steuert den Schalter an und gibt ein Schaltsignal zum Wiedereinschalten des Schalters ab dem von der Regeleinrichtung geänderten Zeitpunkt bei einem von dem ersten Signal angezeigten Minimum der Spannung aus.
Die Regeleinrichtung kann einen Delta-Sigma-Modulator erster oder höherer Ordnung aufweisen, der die Abweichung zwischen dem ermittelten Zeitpunkt des Wiedereinschaltens und dem tatsächlichen Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters bestimmt und schrittweise kompensiert, wobei die möglichen Wiedereinschaltzeiten (Spannungsminima über dem Schalter) die Quantisierungsstufen des Delta-Sigma-Modulators für den von der Steuereinrichtung vorgegebenen und meist zwischen den Quantisierungsstufen liegenden Zeitpunkt des Wiedereinschaltens sind.
Alternativ kann die Steuerschaltung dazu ausgelegt sein, selbst das Schaltsignal zum Wiedereinschalten des Schalters ab dem von der Regeleinrichtung geänderten Zeitpunkt bei einem von dem ersten Signal angezeigten Minimum der Spannung auszugeben. Hierzu wird das erste Signal der Steuerschaltung oder auch der Regeleinrichtung zugeführt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerschaltung dazu ausgelegt sein, die Abgabeleistung zu regeln. Hierzu weist der Schaltregler Mittel zum direkten oder indirekten Erfassen von Messwerten, die die von dem Schaltregler abgegebene Leistung wiedergeben und zur Zuführung eines diese Leistung wiedergebenden zweiten Signals an die Steuerschaltung auf, wobei die Steuerschaltung auf der Grundlage des zweiten Signals eine Abweichung der abgegebenen Leistung von der vom Schaltregler auszugebenden Leistung ermittelt und den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters entsprechend der ermittelten Leistungsabweichung ändert. Alternativ kann die Steuerschaltung die von dem Schaltregler abgegebene Leistung mittels der tatsächlichen Zeitdauer t_DCM berechnen.
Die Ausregelzeit des von der Regeleinrichtung geregelten Wiedereinschaltzeitpunks kann dabei kleiner als die Ausregelzeit der von der Steuerschaltung geregelten Abgabeleistung sein. Ist die Regeleinrichtung sehr schnell ausgelegt, kann eine Korrektur bei jedem Wiedereinschaltzeitpunkt erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich ist der Steuerschaltung ein Dimmsignal zuführbar, wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters entsprechend dem Dimmsignal bei fixierter Abschaltschwelle zu ändern.
Der Schaltregler kann ein Abwärts-, Aufwärtswandler oder Sperrwandler (Flyback-Konverter) sein.
Das Betriebsgerät für Leuchtdioden gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen der oben beschriebenen Schaltregler auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Schaltung eines Betriebsgeräts für Leuchtdioden nach einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 Diagramme mit Signalverläufen des im diskontinuierlichen Betriebsmodus betriebenen Schaltreglers nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 eine Schaltung der Regeleinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 eine Schaltung der Regeleinrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung und
5 eine Schaltung eines Betriebsgeräts für Leuchtdioden nach einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.

Komponenten mit gleichen Funktionen sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine Schaltung eines Betriebsgeräts 1 für Leuchtmittel 2 nach einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, das einen Schaltregler 3 mit einer Steuerschaltung 4 und einen Abwärtswandler als Konverter umfasst. Das Leuchtmittel 2 kann eine Leuchtdiode (LED) oder mehrere LEDs umfassen.
Das Betriebsgerät 1 dient zum Betrieb der wenigstens einen LED 2. Dem Betriebsgerät 1 wird eine Versorgungsspannung Vin zugeführt, die eine Gleichspannung oder eine gleichgerichtete Wechselspannung sein kann. Das Betriebsgerät 1 kann eine Leistungsfaktorkorrektur-schaltung umfassen, welche die Versorgungsspannung Vin bereitstellt (nicht gezeigt).
Der steuerbare Schalter 5 und die Spule 6 sind in Reihe zwischen den Eingang und den Ausgang des Schaltreglers 3 geschaltet. Wenn die wenigstens eine LED 2 mit dem Schaltregler 3 verbunden ist, sind der steuerbare Schalter 5, die Spule 6 und die wenigstens eine LED 2 in Reihe geschaltet. Eine Diode 7 ist parallel zu der wenigstens einen LED 2 und der Spule 6 geschaltet. Ein Kondensator 8 kann parallel zu den Ausgangsanschlüssen 9, 10 geschaltet sein, so dass der Kondensator 8 parallel zu der wenigstens einen LED 2 geschaltet ist. Der Kondensator 8 ist ein optionales Element der gezeigten Schaltung. Der Kondensator 8 kann bei weiteren Ausführungsbeispielen weggelassen werden.
Die Steuerschaltung 4 kann eine integrierte Halbleiterschaltung sein oder eine integrierte Halbleiterschaltung umfassen. Die Steuerschaltung 4 kann als ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Controller, ein Mikrocontroller oder eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC, „Application Specific Integrated Circuit“) oder eine Kombination der genannten Einheiten ausgestaltet sein.
Der steuerbare Schalter 5 wird von einem Schaltpuls-Generator 14 (Schalter-Steuereinrichtung) angesteuert/getaktet und kann ein Leistungsschalter sein. Der steuerbare Schalter 5 kann ein Feldeffekttransistor oder ein Bipolartransistor sein. Der steuerbare Schalter 5 kann ein Transistor mit isolierter Gateelektrode sein.
Der Generator 14 (Steuereinrichtung) kann den Schalter 5 des als Abwärtswandler ausgebildeten Konverters des Schaltreglers 3 in einem gepulsten Betrieb betreiben, so dass jeweils ein Ausgangsstrom in Form von Pulspaketen bereitgestellt wird. Beispielsweise können bei kleineren Dimmleveln Pulspakete erzeugt werden, um die gemittelte Stromstärke und somit die vom Auge wahrgenommene Helligkeit einzustellen.
Im eingeschalteten Zustand des steuerbaren Schalters 5 fließt ein Strom i_L durch die LED(s) 2 und durch die Spule 6, die dadurch magnetisiert und mit Energie geladen wird. Die Diode 7 sperrt in diesem Zustand. Nach dem Ausschalten des steuerbaren Schalters 5 treibt die Spule 5 den durch sie fließenden Strom i_L weiter durch die LED(s) 2 und die Diode 7. Die im Magnetfeld der Spule 5 gespeicherte Energie entlädt sich. Parallel dazu kann am Beginn des Einschaltens des steuerbaren Schalters 5 der Kondensator 8 geladen werden. Während der Ausschaltphase des steuerbaren Schalters 5, der so genannten Freilaufphase, kann sich der Kondensator 8 entladen und trägt zum Stromfluss durch die LED(s) 2 bei. Bei geeigneter Dimensionierung des Kondensators 8 kann dies zu einer Glättung des Stroms durch die LED(s) 2 führen.
Der aktuelle Spulenstrom i_L kann während der Einschaltphase mittels der über einen Messwiderstand 11 abfallenden Spannung erfasst werden. Der aktuelle Spulenstrom i_L wird insbesondere während der Ausschaltphase mit einer weiteren Induktivität 12, die magnetisch mit der Spule 6 gekoppelt ist, erfasst und dem Generator 14 sowie einer Regeleinrichtung 13 zugeführt. Aus dem mittels der Induktivität 12 gewonnenen Signal kann der Spannungsverlauf über dem Schalter 5 ermittelt werden. Alternativ kann auch ein Strommesstransformator (nicht gezeigt) zur Erfassung des aktuellen Spulenstroms i_L vorhanden sein, der in Serie zu der Spule 6 angeordnet ist.
Die Steuerschaltung 4 empfängt von einer externen Signalquelle 15 (z.B. Dimmer oder Sensor) ein einen Dimmlevel anzeigendes Signal und bestimmt auf der Grundlage dieses Signals einen Schaltschwellenwert I_peak und für den diskontinuierlichen Betrieb auch die Zeit t_DCM bzw. den Wiedereinschaltzeitpunkt, welcher an die Regeleinrichtung 13 übermittelt oder von dieser abgefragt wird.
Der Generator 14 ist dazu ausgelegt, auf der Grundlage des Schaltschwellenwerts I_peak und der von Regeleinrichtung 13 geänderten Zeit t_DCM den Abwärtswandler in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben. Hierzu vergleicht der Generator 14 nach dem Einschalten des Schalters 5 den aktuellen Spulenstrom i_L bzw. die den Spulenstrom i_L wiedergebende, an dem Widerstand 11 abfallende Spannung ISNS mit dem Schaltschwellenwert I_peak und bewirkt ein Ausschalten des Schalters 5, wenn der Spulenstrom i_L den oberen Schaltschwellenwert I_peak (Abschaltschwelle) erreicht. Danach bestimmt der Generator 14 den (tatsächlichen) Wiedereinschaltzeitpunkt mittels der Zeitdauer t_DCM und dem Spannungsverlauf über dem Schalter 5 und schaltet den Schalter 5 nach dem Ablauf der Zeit t_DCM bei einem Spannungsminimum über dem Schalter 5 (der Spulenstrom erreicht die Nulllinie mit einer positiven Flanke) wieder ein. Die tatsächliche Zeitdauer t_DCM _Real (der tatsächlichen Wiedereinschaltzeitpunkt) wird von dem Generator 14 an die Regeleinrichtung 13 übermittelt, welche einen Fehler/eine Abweichung zwischen der tatsächliche Zeitdauer t_DCM _Real (dem tatsächlichen Wiedereinschaltzeitpunkt) und der von der Steuerschaltung 4 bestimmten Zeitdauer t_DCM (Soll-Wiedereinschaltzeitpunkt) ermittelt und auf der Grundlage der ermittelten Abweichung die Zeitdauer T_DCM (Wiedereinschaltzeitpunkt) ändert. Für die Ermittlung der Abweichung kann der Regeleinrichtung 13 auch das Signals ISNS zugeführt werden. Der Generator 14 steuert den nächsten Schaltzyklus mit der geänderten Zeitdauer t_DCM (dem geänderten Wiedereinschaltzeitpunkt). Dieser Vorgang wiederholt sich in den darauffolgenden Zyklen.
2 zeigt Signalverläufe des im diskontinuierlichen (DCM) Betriebsmodus betriebenen Schaltreglers 3. Das Diagramm D1 zeigt den von dem Generator 14 erfassten Zeitpunkt t_D für den Beginn der Totzeit, den von der Steuerschaltung 4 auf der Grundlage der abzugebenden Leistung ermittelten Wiedereinschaltzeitpunkt t_EIN(SOLL), den tatsächlichen Wiedereinschaltzeitpunkt t_EIN(IST) und den Betrag der von der Regeleinrichtung bestimmten Abweichung t_A des tatsächlichen Wiedereinschaltzeitpunkts t_EIN(IST) von dem ermittelten Wiedereinschaltzeitpunkt t_EIN(SOLL). Das Diagramm D2 zeigt die von dem Generator 14 erzeugten Ein- und Ausschaltimpulse und das daraufhin abgegebene Signal sw zum Ansteuern des steuerbaren Schalters 5. Das Diagramm D3 beschreibt den Zeitverlauf des Signals ISNS, das den durch die LED(s) fließenden Strom wiedergibt und das mittels des Widerstandes 11 erzeugt und dem Generator 14 zugeführt wird.
Die in dem Diagramm D3 gezeigte Abschaltschwelle I_Peak ist konstant. Eine Veränderung des Strommittelwerts I_avg (Abgabeleistung) steuert die Steuerschaltung 4 über eine entsprechende Veränderung der Länge des Zeitintervalls t₃ bis t_EIN(SOLL), welche der Zeitdauer t_DMC entspricht. Wie in 2 gezeigt, treten nach dem Ausschalten zum Zeitpunkt t₃ Oszillationen des Stromes auf, welche von dem Generator 14 und ggf. auch von der Regeleinrichtung 13 mittels der Induktivität 12 erfasst werden. Die Oszillationen definieren diskrete Zeiten, an denen der Schalter 5 wiedereingeschaltet werden kann und könnten von dem Generator 14 und ggf. auch von der Regeleinrichtung 13 ausgehend vom Beginn der Totzeit t_D vorhergesagt bzw. berechnet werden.
In dem in 2 gezeigten Beispiel kann ein Einschalten nicht exakt zum Zeitpunkt t_EIN(SOLL) erfolgen, sondern nur bei den Zeitpunkten t₃ und t₄, bei denen der im Diagramm D3 gezeigte Stromverlauf die Nulllinie mit einer positiven Flanke kreuzt.
Die Aufgabe der Regeleinrichtung 13 ist es, durch die Wahl des Zeitpunktes t₃ oder t₄ für das Wiedereinschalten die mittlere Abweichung t_A über die folgenden Schaltzyklen zu minimieren bzw. auf null zu regeln. Um die im Diagramm D1 gezeigte Abweichung t_A zu kompensieren kann die Regeleinrichtung 13 in einem folgenden Zyklus die von der Steuerschaltung 4 bestimmte Zeitdauer t_DMC so verkürzen, dass in dem folgenden Zyklus ein Wiedereinschalten bereits zum Zeitpunkt t₃ also vorfristig erfolgt. Im nächsten Regelschritt erfolgt dann die Wahl des Zeitpunktes t₃ oder t₄ für das Wiedereinschalten entsprechend der sich ergebenden Rest-Abweichung t_A.
Alternativ kann Regeleinrichtung 13 über einen bestimmten Zeitraum nach jedem Zyklus die aktuelle Summen der bisher ermittelten Abweichungen berechnen und für den nächsten Zyklus die geänderte Zeitdauer t_DCM als eine Differenz zwischen der von der Steuerschaltung 4 bestimmten Zeitdauer t_DCM und der kumulierten Abweichung ausgeben.
Die Regeleinrichtung 13 kann in einfacher Weise mit einem Delta-Sigma-Modulator aufgebaut werden. 3 zeigt eine solche Regeleinrichtung 13 nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die Regeleinrichtung 13 einen Quantisierer 17 aufweist, der die von der Steuerschaltung 4 über einen Eingang 18 und ein Addierglied 19 empfangene Zeitdauer t_DCM (Wiedereinschaltzeitpunkt) einer der möglichen, ein Spannungsminimum aufweisende Wiedereinschaltzeitpunkte zuordnet und an den Generator 13 (nicht gezeigt) über den Ausgang 20 ausgibt.
Die Abweichung/Differenz zwischen dem eingangsseitigen Wiedereinschaltzeitpunkt und dem von dem Quantisierer 17 ausgegebenen Wiedereinschaltzeitpunkt wird von einem DifferenzierGlied 21 für jeden Zyklus ermittelt und einem Integrator 22 zu geführt. Der Integrator 22 summiert die Abweichungen über mehrere aufeinander folgende Zyklen und gibt diese Summe an das Addierglied 19 ab, welches die summierte Abweichung zu dem über den Eingang 18 empfangenen Schaltschwellenwert I_PeakD addiert und diese Summe an den Quantisierer 17 als Eingangsgröße abgibt. Mit jedem Zyklus (Wiedereinschaltzeitpunkt zu Wiedereinschaltzeitpunkt) kann der Eingangswert der Regeleinrichtung 13 variiert werden, um dem durch die nur diskret vorhandenen Wiedereinschaltzeitpunkte auftretenden Fehler im zeitlichen Mittel entgegenzuwirken.
Die in 3 gezeigte Regeleinrichtung 15 stellt einen Delta-Sigma-Modulator erster Ordnung dar. Es ist jedoch auch möglich einen Modulator höherer Ordnung einzusetzen.
4 zeigte eine Regeleinrichtung 15 mit einem Delta-Sigma-Modulator zweiter Ordnung.
In dem in 1 gezeigten Beispiel weist der Schaltregler 3 eine weitere Regelung der Abgabeleistung auf, bei der eine Recheneinheit 16 den von dem Schaltregler abgegebenen Strom I_AVG aus dem Verhältnis der tatsächlichen Zeitdauer T_DMC _Real und der Zyklusdauer T bestimmt und die Steuerschaltung 4 den abgegebenen Strom I_AVG mit dem abzugebenden Strom vergleicht und den Schaltschwellenwert I_peak und/oder die Zeitdauer t_DCM ändert, um einer Abweichung/Differenz entgegenzuwirken.
5 zeigt eine Schaltung eines Betriebsgeräts 1 für Leuchtmittel 2 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, das einen Schaltregler 3 mit einer Steuerschaltung 4, die den Schalter 5 direkt ansteuern kann und einen Aufwärtswandler als Konverter umfasst. Die Spule 6, der Schalter 5 und der Messwiderstand 11 sind in Reihe zwischen den Eingängen des Schaltreglers 3 angeordnet, so dass ein Strom durch die Spule 6, den Schalter 5 und den Messwiderstand 11 fließt, wenn der Schalter 5 von der Steuerschaltung 4 eingeschaltet wird. Der aktuelle Spulenstrom i_L kann während der Einschaltphase des Schalters 5 mittels der über einen Messwiderstand 11 abfallenden Spannung von der Steuerschaltung 4 erfasst werden. Die Steuerschaltung 4 vergleicht, wie oben beschrieben, den aktuellen Spulenstrom bzw. die den Spulenstrom i_L wiedergebende, an dem Widerstand 11 abfallende Spannung (Signal ISNS) mit dem oberen Schaltschwellenwert Ipeak und bewirkt ein Ausschalten des Schalters 5, wenn der ansteigende Spulenstrom i_L den oberen Schaltschwellenwert Ipeak (Abschaltschwelle) erreicht.
Nach dem Ausschalten des Schalters 5 treibt die Spule 6 nun einen Strom durch die Diode 7 und die Parallelschaltung aus dem Kondensator 8 und der Leuchtdiode 14. Die Steuerschaltung 4 ermittelt im diskontinuierlichen Betrieb auf der Grundlage der abzugebenden Leistung den Wiedereinschaltzeitpunkt (Soll-Wert). Der Zeitpunkt, wann der Stromfluss durch die Spule 6 während der Ausschaltphase auf null abgesunken ist, wird von der Steuerschaltung 4 und der Regeleinrichtung 13 mittels dem Signal, welches von der mit der Spule 6 gekoppelten Induktivität 12 erzeugt wird, bestimmt. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerschaltung 4 und/oder die Regeleinrichtung 13 das Signal ISNS nutzen.
Wie oben beschrieben erfolgt das Wiedereinschalten im diskontinuierlichen Betrieb nur zu Zeitpunkten, bei denen die Spannung über dem ausgeschalteten Schalter 5 minimal ist, um Schaltverluste zu verringern. Die Regeleinrichtung 13 ermittelt eine Abweichung t_A zwischen dem von der Steuerschaltung 4 ermittelten Zeitpunkt des Wiedereinschaltens und dem tatsächlichen Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters bzw. die Rest-Abweichung und bestimmt, ob der Zeitpunkt für ein nächstes Wiedereinschalten des Schalters 5 bei einem Minimum der Spannung vor oder nach dem ermittelten Zeitpunkt liegt.
Alternativ kann die Regeleinrichtung 13, wie beschrieben, die Abweichungen aufsummieren und die Differenz zwischen dem von der Steuerschaltung 4 ermittelten Wiedereinschaltzeitpunkt (t_DCM) und der Summe der Abweichungen an die Steuerschaltung 4 abgeben, welche den ermittelten Wiedereinschaltzeitpunkt entsprechend korrigiert. Es ist auch möglich einen der beschriebenen Delta-Sigma-Modulatoren einzusetzen.
Die Regelung der Regeleinrichtung 13 kann für alle Zeitabschnitte erfolgen oder nur für Zeitabschnitte, in denen der von der Steuerschaltung 4 ermittelte/gesetzte Zeitpunkt des Wiedereinschaltens konstant ist bzw. von der Steuerschaltung 4 nicht geändert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/152368 A1 [0002]

Claims

Schaltregler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln, aufweisend einen mit einer Spule (6) gekoppelten Schalter (5), Mittel (11, 12) zum direkten oder indirekten Erfassen der über den Schalter (5) abfallenden Spannung und zur Bereitstellung eines diese Spannung wiedergebenden ersten Signals, und eine Steuerschaltung (4), die dazu ausgelegt ist, in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus einen Zeitpunkt (t_EIN(SOLL)) des Wiedereinschaltens des Schalters (5) entsprechend der von dem Schaltregler (3) auszugebenden Leistung zu ermitteln, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (13), die dazu ausgelegt ist, eine Abweichung zwischen dem ermittelten Zeitpunkt (t_EIN(SOLL)) des Wiedereinschaltens und dem tatsächlichen Zeitpunkt (t_EIN(IST)) des Wiedereinschaltens, der bei einem von dem ersten Signal angezeigten Minimum der Spannung liegt, zu bestimmen und den ermittelten Zeitpunkt (t_EIN(SOLL)) zu ändern, um der bestimmten Abweichung im zeitlichen Mittel entgegenzuwirken.
Schaltregler nach Anspruch 1, wobei eine Regeleinrichtung (13) dazu ausgelegt ist, zumindest einige der fortlaufend bestimmten Abweichungen zu kumulieren und nach dem Wiedereinschalten den ermittelten Zeitpunkt (t_EIN(SOLL)) entsprechend einer Differenz zwischen dem ermittelten Zeitpunkt (t_EIN(SOLL)) und der aktuell kumulierten Abweichung zu ändern.
Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regeleinrichtung (13) einen Delta-Sigma-Modulator (17..22) erster oder höherer Ordnung aufweist, der die Abweichung zwischen dem ermittelten Zeitpunkt des Wiedereinschaltens und dem tatsächlichen Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters (5) bestimmt und schrittweise kompensiert.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend eine Steuereinrichtung (14), die dazu ausgelegt ist, ein Schaltsignal (sw) zum Wiedereinschalten des Schalters (5) ab dem von der Regeleinrichtung (13) geänderten Zeitpunkt (t_EIN(SOLL)) bei einem von dem ersten Signal angezeigten Minimum der Spannung auszugeben.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerschaltung (4) dazu ausgelegt ist, ein Schaltsignal zum Wiedereinschalten des Schalters (5) ab dem von der Regeleinrichtung (13) geänderten Zeitpunkt (t_EIN(SOLL)) bei einem von dem ersten Signal angezeigten Minimum der Spannung auszugeben.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend Mittel (16) zum direkten oder indirekten Erfassen der von dem Schaltregler (3) abgegebenen Leistung und zur Zuführung eines diese Leistung wiedergebenden zweiten Signals an die Steuerschaltung (4), wobei die Steuerschaltung (4) dazu ausgelegt ist, auf der Grundlage des zweiten Signals eine Abweichung der abgegebenen Leistung von der von dem Schaltregler (3) auszugebenden Leistung zu ermitteln und den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters (5) entsprechend der ermittelten Leistungsabweichung zu ändern.
Schaltregler nach Anspruch 6, wobei die Ausregelzeit des von der Regeleinrichtung (13) geregelten Wiedereinschaltzeitpunkts kleiner als die Ausregelzeit der von der Steuerschaltung (4) geregelten Abgabeleistung ist.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Steuerschaltung (4) ein Dimmsignal zuführbar ist und die Steuerschaltung (4) eingerichtet ist, in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalters (5) entsprechend dem Dimmsignal (D) bei fixierter Abschaltschwelle (I_S) zu ändern.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schaltregler (3) ein Abwärts-, Aufwärtswandler oder Sperrwandler ist.
Betriebsgerät für Leuchtdioden, aufweisend einen Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 9.