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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Konverter zur Versorgung von LED-Lasten. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf derartige Konverter, die eine passive Valley-Fill-Schaltung aufweisen. Die Erfindung bezieht sich auch auf LED-Module mit einem solchen Konverter.
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Sogenannte Valley-Fill-Schaltungen sind eine spezielle Form von Leistungsfaktorkorrekturschaltungen sind und dienen allgemein zur Filterung von unerwünschten Oberschwingungen in elektronischen Schaltungen. Passive Valley-Fill-Schaltungen weisen typischerweise sogenannte Glättungskondensatoren auf, die mittels wenigstens einer Diode verschaltet sind. Die Glättungskondensatoren werden typischerweise auf die halbe Amplitude des Spitzenwerts der die Schaltung versorgenden Gleichspannung aufgeladen, und entladen sich dann über die Last während Zeitdauern, in denen die Gleichspannung unter die halbe Spitzenamplitude.
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Passive Valley Fill Schaltungen sind bekannt bspw. aus https://de.wikipedia.org/wiki/Valley-Fill-Schaltung.
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Eine aktive Valley-Fill Schaltung ist bspw. bekannt aus der
US 20140340943 A1 und
US 9263944 B2 und weist typischerweise, im Gegensatz zur passiven Valley Fill Schaltung, ein aktives Element wie bspw. einen angesteuerten Schalter auf.
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Typsicherweise weit die aktive Valley-Fill Schaltung einen Kondensator und die passive Valley-Fill Schaltung zwei Kondensatoren auf.
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Bekannte Passive Valley-Fill-Schaltungen (PVF) weisen den Nachteil auf, dass der sich durch die Leistungsaufnahme der Schaltung ergebende Stromverlauf im Wesentlichen dreiecksförmige Spitzen zeigt, und zwar in den seitlichen Dauern, in denen die genannten Kondensatoren der Passive Valley-Fill-Schaltung bei entsprechend hoher Amplitude der Eingangsspannung nachgeladen werden.
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Die Erfindung setzt nunmehr an diesem Problem an und stellt eine Lösung bereit, diese spitzenförmige Stromaufnahme zumindest abzumildern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist vorgesehen ein Konverter mit Ausgangsklemmen, insbesondere zur Versorgung von LED-Lasten. Der Konverter weist eine Passive Valley-Fill-Schaltung auf, die Kondensatoren aufweist, die während bestimmter Amplitudenbereiche der versorgenden gleichgerichteten AC-Spannung geladen werden, und in anderen Amplitudenbereichen über die Last entladen werden.
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Ausgehend von dieser Passive Valley-Fill-Schaltung wird eine mittels wenigstens eines Schalters getaktete Wandlerschaltung versorgt, ausgehend von der wiederum die LED-Last versorgbar ist.
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Erfindungsgemäß ist eine Modulationsschaltung vorgesehen, die das Potential an wenigstens einem Pol wenigstens eines oder mehrere Kondensatoren der Valley-Fill-Schaltung vorzugsweise zyklisch moduliert. Durch diese Modulation des Potentials an einer Seite der Kondensatoren wird erreicht, dass die Stromaufnahme der Valley-Fill-Schaltung durch Nachladen der Kondensatoren nunmehr über einen größeren Zeitbereich bzw. mehrere Zeitbereiche verbreitert wird.
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Die Modulationsschaltung kann dabei mit der Frequenz der Taktung des Schalters der getakteten Wandlerschaltung moduliert sein. Insbesondere kann die Modulationsschaltung ausgehend von der getakteten Wandlerschaltung angesteuert sein, also mit einem Knoten im Bereich der getakteten Wandlerschaltung verbunden sein.
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Für die getaktete Wandlerschaltung kommt jegliche bekannte getaktete Wandlerschaltung infrage, rein als Beispiel sei ein Buck-Konverter, Boost-Konverter, Inverter, Flusswandler, Sperrwandler oder beliebige Kombinationen oder Hybridversionen davon genannt.
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Die Modulationsschaltung kann insbesondere einen Schwingkreis aufweisen, wie beispielsweise einen Serienschwingkreis, der als LCR-Schaltung ausgebildet sein kann.
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Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist vorzugsweise abgestimmt auf die Frequenz der Taktung des Schalters der aktiv getakteten Wandlerschaltung, was bedeutet, dass die Resonanzfrequenz im Wesentlichen im Bereich der Taktung des Schalters der getakteten Wandlerschaltung liegt. Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz innerhalb von einer Toleranz von 25%, vorzugsweise 15%, mehr bevorzugt 5% der Frequenz der Taktung des Schalters des getakteten Wandlers liegen.
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Die Modulationsschaltung kann dazu ausgelegt sein, einen Modulationshub des Potentials an einer Anschlussseite eines Kondensators zu erzielen, der beispielsweise 10%-40% der Scheitelspannung des modulierten Potentials beträgt.
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Die Modulation ist vorzugsweise hochfrequent im Vergleich zu der Frequenz der den Konverter versorgenden Wechselspannung, die typischerweise nach Gleichrichtung der Passive-Valley-Fill-Schaltung zugeführt wird.
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Der Konverter kann weiterhin eine Active Valley Fill Schaltung aufweisen.
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Um zu verhindern, dass durch die Modulation des Potentials Störungen auf die Netzversorgung zurückgestreut werden, kann der passiven Leistungsfaktorkorrekturschaltung, beispielsweise zwischen dem Eingang und einem Gleichrichter eine Filterschaltung mit Tiefpass-Charakter vorgeschaltet sein, wobei die Filterscharakteristik der Filterschaltung derart abgestimmt ist, dass Frequenzen im Bereich der Modulationsfrequenz gedämpft werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen erläutert werden.
- 1 zeigt die Anwendung der Erfindung mit einer sog. Passive Valley Fill Schaltung,
- 2 zeigt eine weitere Möglichkeit der Anbindung der Modulationsschaltung an die Passive Valley Fill Schaltung, und
- 3 zeigt eine noch weitere Möglichkeit der Anbindung der Modulationsschaltung an die Passive Valley Fill Schaltung
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In 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 allgemein ein Konverter bezeichnet, der an Ausgangsklemmen 2, 2' beispielsweise eine LED-Last 3 betreiben kann.
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Dieser Konverter 1 wird gespeist ausgehend von einer A/C-Versorgungsspannung 10, die nach Gleichrichten durch eine Gleichrichterschaltung 12 einer Filterung durch eine Filterschaltung 11, 14 unterzogen wird. Die gleichgerichtete und gefilterte Versorgungsspannung wird dann einer passiven Leistungsfaktorkorrekturschaltung in Form einer so genannten Valley-Fill-Schaltung 4 zugeführt. Derartige passive Valley-Fill-Schaltungen sind hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktion gut bekannt. Die dargestellte Schaltung der Figur dient daher nur der Illustration. In der Zeichnung ist dargestellt, dass zwei Kondensatoren, 5, 5' vorgesehen sind, die mittels zweier Dioden 15, 15' parallel geschaltet werden.
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Die beiden Kondensatoren entladen sich über eine Last, die in diesem Fall als erste Stufe eine getaktete Wandlerschaltung 7 darstellt. Diese getaktete Wandlerschaltung 7 wird durch einen Schalter, beispielsweise einen FET, 6 aktiv getaktet.
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Das Ansteuersignal für den Schalter 6 kann ausgehend von einer Steuerschaltung 23 erzeugt sein, der Rückführsignale aus dem Bereich der Versorgungsspannung, der Valley-Fill-Schaltung, der getakteten Wandlerschaltung und/oder der LED-Last zurückführbar sein können, so dass die Taktung des Schalters 6 durch eine Rückführregelung (beispielsweise zur Regelung eines konstanten LED-Stromes) ausgenutzt werden kann. Alternativ kann auch eine reine Vorwärtssteuerung der Taktung des Schalters 6 vorgesehen sein.
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Die getaktete Wandlerschaltung weist weiterhin auf eine Diode 20, eine Induktivität 21.
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Der Ausgang der getakteten Wandlerschaltung speist typischerweise einen Speicherkondensator 22, dessen Spannung dann auch an den Ausgangsklemmen 2, 2' anliegt.
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Gemäß der Erfindung ist nunmehr vorgesehen, dass das Potential der im dargestellten Fall zwei Kondensatoren 5, 5' zyklisch moduliert wird.
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Dabei wird das Potential an unterschiedlichen Polaritäten der Kondensatoren moduliert, das heißt bei dem Kondensator 5' wird in dem dargestellten Beispiel das negative Potential moduliert, während an dem Kondensator 5 das positive Potential (allgemein: das höhere Potential) moduliert wird.
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Durch diese zyklische Modulation des Potentials an einer Seite eines jeden Kondensators wird erreicht, dass die Stromaufnahme der Valley-Fill-Schaltung 4 durch Nachladen der Kondensatoren über einen zeitlich größeren Bereich bzw. mehrere zeitliche Bereiche gespreizt wird, was die gesamte harmonische Verzerrung (Englisch: total harmonic distortion, THD) der Schaltung durch Verringerung nicht linearer Verzerrungen verbessert.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Modulation ausgehend von einem Knoten 26 der getakteten Wandlerschaltung 7 erzeugt.
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Genauer gesagt ist mit dem Knoten 26 der getakteten Wandlerschaltung 7 eine Resonanzschaltung (Schwingkreis), insbesondere in Form eines Serienresonanzkreises wie dargestellt, mit einem Ohm'schen Widerstand 19, einem Kondensator 18 und einer Induktivität 17 verbunden.
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Das Schalten des Schalters 6 des getakteten Wandlers 7 regt diesen Serienschwingkreis 9 an, was somit eine Spannungsmodulation eines Potentials der Kondensatoren 5,5' mit der Frequenz der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises 9 zur Folge hat.
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Die Resonanzfrequenz ist natürlich abgestimmt auf die Schaltfrequenz des Schalters 6, der typischerweise hochfrequent getaktet wird. Dies bedeutet, dass die Taktung des Schalters 6 und somit auch der Resonanzkreis und die Modulation des Potentials an einem Anschluss der Kondensatoren 5, 5' mit einer Frequenz erfolgt, die deutlich größer ist (beispielsweise im Bereich von Kilohertz) als die Frequenz der A/C-Versorgungsspannung 10 bzw. der gleichgerichteten A/C- Versorgungsspannung, die am Eingang der Passive-Valley-Fill-Schaltung 4 anliegt.
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Um zu verhindern, dass Störungen mit der Frequenz der Modulation des Potentials der Kondensatoren auf die Netzspannungsseite zurückgestreut werden, ist eine auf die Modulationsfrequenz abgestimmte Filterschaltung 11 mit eine Induktivität 13 und einem Kondensator 14 vorgesehen, die typischerweise einen Tiefpasscharakter hat und somit Störungen im Bereich der Modulationsfrequenz dämpft.
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Die Modulationsschaltung kann derart ausgebildet sein, dass ein Modulationshub in einer Größenordnung von 10-40% der Scheitelspannung an dem entsprechenden Potential des entsprechenden Kondensators erzeugt wird. Absolut ausgedrückt kann dies beispielsweise bedeuten, dass der Modulationshub 20V-400V bei einer Scheitelspannung von 400V beträgt.
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Im dargestellten Beispiel ist die Modulationsschaltung gekoppelt mit der auf die Passive-Valley-Fill-Schaltung 4 folgenden getakteten Wandlerschaltung 7.
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Indessen kann die Modulation auch anderweitig, beispielsweise durch eine durch die Steuerschaltung 23 angesteuerte Modulation erzeugt werden.
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In dem Ausführungsbeispiel von 1 ist die Modulationsschaltung 8 an einem Zweig 5, 15' der Passive Valley Fill Schaltung angebunden und eine Diode 16 verbindet die beiden Zweige.
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2 zeigt eine alternative Möglichkeit der Anbindung der Modulationsschaltung 8, bei der wie ersichtlich zwei Dioden 30, 31 vorgesehen sind, die die beiden Zweige der Passive Valley Fill Schaltung verbinden, wobei die Modulationsschaltung 8 am Mittenpunkt 32 dieser Brückendioden 30, 31 angebunden ist, so dass eine Nachladung der Kondensatoren 5, 5' an diesem Mittenpunkt erfolgt.
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3 zeigt eine weitere alternative Möglichkeit der Anbindung der Modulationsschaltung 8, bei der ähnlich wie bei dem Beispiel der 2 zwei Dioden 30, 31 vorgesehen sind, die die beiden Zweige der Passive Valley Fill Schaltung verbinden, wobei die Modulationsschaltung 8 am Mittenpunkt 32 dieser Brückendioden 30, 31 angebunden ist, so dass eine Nachladung der Kondensatoren 5, 5' an diesem Mittenpunkt erfolgt. Zusätzlich ist die Modulationsschaltung 8 über einen weiteren Pumpkondensator 33 am positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung 12 an dem Anknüpfungspunkt 34 angebunden. Zwischen dem Anknüpfungspunkt 34 und der Passive Valley Fill Schaltung mit dem oberen Anschluß des Kondensators 5' ist eine Pumpdiode 35 angeordnet. Durch diese zusätzliche Anordnung vom Pumpkondensator 33 am positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung 12 und der Pumpdiode 35 wird eine sogenannte aktive Ladungspumpenschaltung gebildet, die zu einer weiteren Verbesserung der harmonischen Verzerrung der Schaltung beitragen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20140340943 A1 [0004]
- US 9263944 B2 [0004]
