DE29911372U1 - Stromversorgungseinrichtung zum Betrieb von Leuchtdioden - Google Patents

Description

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AG/co

Stromversorgungseinrichtung zum Betrieb
von Leuchtdioden

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung zum Betrieb von Leuchtdioden (LED) an einem Versorgungsnetz.

Lichtemittierende Dioden, meist als Leuchtdioden oder kurz LED bezeichnet, wurden als lichtemittierende Halbleiterbauteile bislang hauptsächlich als optische Anzeigeelemente in der Elektronik oder zur optischen Datenübertragung

&iacgr;&ogr; verwendet. Durch ihre niedrige Versorgungsspannung von einigen Volt und ihre niedrige Stromaufnahme sind sie für derartige Anwendungen prädestiniert. Aufgrund ihrer Betriebseigenschaften gewinnen sie in letzter Zeit jedoch zunehmend auch im Beleuchtungssektor Anwendung, und zwar insbesondere zum Ersatz von Glühlampen geringerer Leistung. Gegenüber diesen

is herkömmlichen Glühlampen zeichnen sich LED nämlich durch einen höheren Wirkungsgrad, das heißt höhere Lichtausbeute, längere Lebensdauer und weitgehende Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen und Vibrationen aus. Außerdem ist die Lichtabgabe praktisch über deren gesamte Lebensdauer konstant.

Bei einer Betriebsspannung von etwa 1,5 V bzw. 5 V je nach Farbe müssen LED mit einer Strombegrenzung betrieben werden. Im einfachsten Fall erfolgt dies bei relativ niedrigen Versorgungsspannungen mittels Vorwiderständen. Dieses Vorgehen ist jedoch durch die nutzlos am Widerstand freiwerdende Verlustwärme unwirtschaftlich und beim Anschluß von LED an Versorgungsnetze, beispielsweise mit 230 V Wechselstrom oder 110 V Gleichstrom, allein schon deswegen nicht sinnvoll durchführbar. Hinzu

kommt, daß ein Anschluß an Versorgungsnetze erhebliche Sicherheitsmaßnahmen im Hinblick auf den Berührungsschutz von Kontakten erfordern würde. Außerdem wären für den Betrieb von unterschiedlichen Anzahlen oder Farben von Leuchtdioden jeweils speziell angepaßte und unterschiedlich dimensionierte Versorgungseinrichtungen erforderlich.

Angesichts dieser Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung anzugeben, welche den Betrieb einer Mehrzahl von LED mit unterschiedlichen Farben, und somit verschiedenen Flußspannungen an einem Versorgungsnetz ermöglicht, &iacgr;&ogr; die wirtschaftlich arbeitet, eine möglichst gefahrlose Nutzung als Wohnraumleuchte ermöglicht und mit geringem Aufwand an unterschiedliche Leuchtenkonfigurationen anpaßbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung schlägt die Erfindung eine Stromversorgungseinrichtung mit einem primärseitig an das Versorgungsnetz anschließbaren EMV-Filter vor, an dem ein HF-Wechselrichter angeschlossen ist, welcher die Primärwicklung eines Transformators speist, dessen Sekundärwicklung über einen HF-Gleichrichter mit mindestens einer Stromquelle verbunden ist, an die mindestens eine LED anschließbar ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung der Stromversorgungseinrichtung sieht vor, daß die Netzspannung von einem Netzanschluß, der kompatibel ist mit dem jeweiligen Versorgungssystem, zunächst auf ein EMV-Filter (EMV= Elektromagnetische Verträglichkeit) gegeben wird. Durch diesen EMV-Filter wird sichergestellt, daß die Einkopplung von in der erfindungsgemäßen Einrichtung erzeugten hochfrequenten Spannungen als leitungsgebundene Störungen in das Versorgungsnetz unterhalb vorgegebener Grenzwerte gehalten wird.

Der dem EMV-Filter nachgeschaltete Gleichrichter ist zweckmäßigerweise als Vollwellengleichrichter in Brückenschaltung ausgeführt. Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung an einem Wechselstromnetz, beispielsweise 230V/ 50Hz, bekommt der dem Gleichrichter nachgeschaltete Wechselrichter eine pulsierende Gleichspannung geliefert. Wird die

erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung an einem Gleichspannungsnetz betrieben, dann ist aufgrund des verwendeten Brückengleichrichters Polungsunabhängigkeit gegeben - Verpolungsfehler beim Anschluß des Gerätes an das Gleichspannungsnetz werden somit ausgeschlossen. Die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters wird im Folgenden als Zwischenkreisspannung bezeichnet.

Mit der Netz-Gleichspannung bzw. der gleichgerichteten Zwischenkreisspannung wird ein hochfrequenter (HF) Wechselrichter betrieben, der eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz deutlich oberhalb der relativ niederfrequenten Netzfrequenz liegt. Mit dieser HF-Wechselspannung wird die Primärwicklung eines Transformators beaufschlagt, der wegen der hohen Frequenz eine kleine Baugröße haben kann. An der Sekundärwicklung liegt eine ebenfalls hochfrequente, entsprechend dem Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung transformierte Sekundärspannung an. Dieses Über-Setzungsverhältnis wird derart gewählt, daß die hohe Netzwechselspannung auf eine Sekundärspannung heruntertransformiert wird, welche in einer Größenordnung von beispielsweise 24 V liegt. Eine Niederspannung dieser Höhe ist physiologisch ungefährlich, so daß kein zusätzlicher Berührungsschutz vorgesehen werden muß. Der Betrieb von LED erfordert dabei wenig Aufwand.

Ein Vorteil durch die Verwendung des Transformators besteht darin, daß eine vollständige galvanische Trennung zum Versorgungsnetz gegeben ist. Die Berührung der Niederspannungs-Ausgänge des Transformators ist damit völlig ungefährlich, so daß keine zusätzlichen Maßnahmen im Sinne eines mechanischen Berührungsschutzes geschaffen werden müssen. Durch die hohe Betriebsfrequenz des Wechselrichters kann der Transformator eine relativ kleine, kompakte Bauform haben. Da die Sekundärspannung ebenfalls hochfrequent ist, wird netzfrequentes Flackern von daran angeschlossenen LED von vornherein ausgeschlossen. Außerdem ist der Aufwand für die Gleichrichtung und gegebenenfalls die Glättung erheblich geringer als bei niederfrequenten Wechselströmen.

Die Sekundärspannung des vorgenannten Transformators wird erfindungsgemäß mittels eine HF-Gleichrichters zunächst gleichgerichtet, gegebenenfalls mit Glättungsschaltungen in Form von Glättungskondensatoren oder dergleichen vergleichmäßigt und in die Stromquellen, das heißt die eigentliehen Betriebsstromquellen für die Leuchtdioden, eingespeist.

Durch die Glättungsschaltung wird auch der ausgangsseitige Austritt von hochfrequenten Störungen weitgehend verhindert, so daß auf jeden Fall ein EMV-gerechter Aufbau gewährleistet ist. Eine vollständige Glättung ist dabei nicht erforderlich, sondern lediglich die Integration des hochfrequenten Anteils. Dabei läßt sich durch eine angepaßte Dimensionierung eine in den Ausgang des HF-Gleichrichters geschalteten Glättungskondensators selbst bei kleinsten entnommenen Leistungen eine sinusförmige Netzstromaufnahme verwirklichen, die leitungsgebundene Störungen praktisch ausschließt.

Mit der gegebenenfalls geglätteten Ausgangsspannung des HF-Gleichrichters werden eine oder mehrere Stromquellen gespeist, welche ihrerseits den Betriebsstrom für jeweils eine oder mehrere Leuchtdioden zur Verfügung stellen. Ein besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Aufteilung in mehrere einzelne Stromquellen besteht darin, daß verschiedene Konfigurationen von Leuchtdioden, beispielsweise Serien- oder Parallelschaltungen mit einer unterschiedlichen Anzahl und Farben von LED, an einer einzigen Stromversorgungseinrichtung betrieben werden können. Dadurch erhält man eine erhebliche Flexibilität bei der Auslegung von Beleuchtungsanordnungen mit LED, und zwar mit einer einzige Stromversorgungseinrichtung. Aufwendige, individuelle Anpassungen an unterschiedliche Leuchtenkonfigurationen sind damit nicht mehr erforderlich. Dies führt natürlich zu einer erheblichen Verringerung des Fertigungs- und Materialaufwandes, insbesondere bei höheren Stückzahlen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die maximal mögliche Anzahl von Leuchtdioden, die an einem einzigen Versorgungsgerät betrieben werden können, durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erhöht wird, ohne daß die Bereitstellung einer relativ hohen Ausgangsspannung erforderlich wäre.

Eine Erhöhung der Ausgangsspannung ist nämlich immer in nachteiliger Weise mit erhöhtem Isolier- und Sicherheitsaufwand verbunden.

Vorzugsweise sind die vorgenannten Stromquellen als Konstantstromquellen ausgebildet. Diese enthalten einen Regelkreis, der dafür sorgt, daß der maximal zulässige Betriebsstrom für eine vorgegebene LED-Anordnung auch bei Spannungsschwankungen nicht überschritten wird.

Der Einsatz von Konstantstromquellen hat noch einen weiteren Vorteil, und zwar dann, wenn die Ausgangsspannung des HF-Gleichrichters nicht vollständig geglättet wird und somit an den nachfolgenden Stronquellen eine

&iacgr;&ogr; Spannung mit doppelter Netzfrequenz anliegt. Wenn in diesem Fall die Gesamtsumme der Flußspannungen der betriebenen LED bei angenommenem Nennstrom größer ist als der jeweilige Momentanwert der am Eingang der Konstantstromquelle bereitstehenden, pulsierenden Gleichspannung, erfolgt quasi eine Pulsbreitenmodulation des Betriebsstromes der Leuchtdioden. Die

is Pulsbreite verhält sich dabei als Funktion der Anzahl der angeschlossenen LED. Der Effektivstrom ist dabei ausreichend konstant, so daß selbst bei einer unterschiedlichen Anzahl von Leuchtdioden an einer einzigen Stromquelle kein merklicher Helligkeitsunterschied auftritt.

Zweckmäßigerweise sind die Stromquellen mit einer Überwachungsschaltung zur Begrenzung der Verlustleistung im Regelbaustein versehen. Dadurch wird eine Überhitzung und daraus resultierende Beschädigung des Regelbausteines bei Überlastung verhindert. Die Überwachungsschaltung kann alternativ mit Temperatursensoren versehen sein, welche zur Erfassung der Temperatur am Regelbaustein der Stromquellen ausgebildet sind. Diese Temperatur ist nämlich ein Maß für die anfallende Verlustleistung. Alternativ ist es gleichfalls denkbar, daß die Überwachungsschaltung mindestens eine Spannungsmeßeinrichtung aufweist, mit welcher der Spannungsabfall über dem Regelbaustein der Stromquelle erfaßt wird, der ebenfalls ein Maß für die Verlustleistung ist.

Die Funktion der Überwachungsschaltung besteht darin, den Ausgangsstrom und damit die im Regler entstehende Verlustleistung zu begrenzen, wenn die

Summe der Flußspannungen der an der Stromquelle angeschlossenen Leuchtdioden so gering ist, daß der Spannungsabfall und damit die Verlustleistung im Regelelement übermäßig ansteigen würde. Durch die Überwachungsschaltung wird einer Beschädigung des Regelelementes durch Überhitzung entgegengewirkt.

Bei der zuletzt dargestellten Spannungsüberwachungsschaltung kann weiterhin vorgesehen sein, daß mit zunehmender Höhe der vom HF-Gleichrichter abgegebenen Versorgungsspannung der eingestellte Wert für den Konstantstrom der Stromquellen verringert wird und damit das erläuterte &iacgr;&ogr; Strom-Pulsbreiten-Verhältnis kompensiert wird. Selbst bei variabler Eingangsspannung bekommen die Leuchtdioden dann eine konstante Emission, das heißt der Helligkeitseindruck bleibt gleich.

Im Wechselrichter können beliebige selbstschwingende Schaltungen mit strom-/spannungsgekoppelter Ansteuerung, oder auch fremderregte Schaltungsanordnungen gewählt werden. Die Verwendung von integrierten Bausteinen, welche Oszillator, Steuerung, Überwachung, Freilaufdioden und Leistungsschalter in einem einzigen Baustein vereinen, ist ebenfalls denkbar. Besondere Vorteile hat die Verwendung eines Halbbrückendurchflußwandlers, der mit geringem Aufwand ausgesprochen effektiv arbeitet.

Um den Verdrahtungsaufwand so gering wie möglich zu halten, verfügen die einzelnen Konstantstromquellen über einen gemeinsamen Masseanschluß zum Anschluß der LED. Dieser bietet darüber hinaus den Vorteil, daß die Anzahl der Anschlußstellen für die einzelnen Stromkreise mit den LED auf fast die Hälfte reduziert werden kann, was zum einen kostensenkend und zum anderen platzsparend ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierzu zeigt Figur 1 im Einzelnen einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung, die darin als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist.

Eingangsseitig weist diese Stromversorgungseinrichtung einen EMV-Filter 2 auf, der in der dargestellten Ausführung an ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz anschließbar ist, beispielsweise mit 230 V/50 Hz. An den EMV-Filter 2 ist ein Vollwellen-Gleichrichter 3 angeschlossen, an dessen Ausgang bei Wechselspannungsspeisung die mit Netzfrequenz pulsierende Zwischenkreis-Gleichspannung anliegt. Mit der Zwischenkreis-Gleichspannung aus dem Gleichrichter 3 wird ein Wechelrichter 4 betrieben, der vorzugsweise als Halbbrückendurchflußwandler ausgebildet ist. Dieser besteht im wesentlichen aus zwei Leistungsschaltern, mit denen ein Anschluß der Primärwicklung eines HF-Transformators 5 abwechselnd mit der Frequenz auf Masse und Zwischenkreis-Spannung geschaltet wird. Die Steuerung der Leistungsschalter erfolgt zweckmäßigerweise durch einen hier nicht dargestellten integrierten Baustein. Der zweite Anschluß der Primärwicklung ist - wie dargestellt - auf das durch einen kapazitiven Spannungsteiler bereitgestellte

is Bezugspotential geschaltet.

Die heruntertransformierte Sekundärspannung aus der Sekundärwicklung des HF-Tranformators 5 wird durch einen HF-Gleichrichter 6 gleichgerichtet und mittels eines Glättungskondensators 7 im Ausgang des HF-Gleichrichters geglättet.

Mit der geglätteten Gleichspannung werden im dargestellten Beispiel zwei Konstantstromquellen 8 gespeist. Ohne weitere Änderungen können auch weniger oder mehrere dieser Konstantstromquellen 8 vorgesehen werden. An diese Konstantstromquellen 8 sind unterschiedliche Konfigurationen von Leuchdioden 9 angeschlossen.

Über eine an die Stromquellen 8 angeschlossene Spannungs-Überwachungsschaltung 10 wird sichergestellt, daß an deren Regelelementen nicht eine zu hohe Leistung abfällt und diese überlastet werden. Wenn - beispielsweise beim Anschluß nur einer Leuchtdiode an eine Stromquelle 8 Überlastung droht, greift die Spannungs-Überwachungsschaltung 10 ein und begrenzt den Ausgangsstrom.

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Die Funktion der dargestellten erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung 1 ist bereits erläutert worden. Außer der dargestellten Ausführung sind verschiedenste Variationen denkbar, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.

Claims (12)

1. Stromversorgungseinrichtung zum Betrieb von Leuchtdioden (LED) (9) an einem Versorgungsnetz, mit einem primärseitig an das Versorgungsnetz anschließbaren EMV-Filter (2), an den ein HF-Wechselrichter (4) angeschlossen ist, welcher die Primärwicklung eines Transformators (5) speist, dessen Sekundärwicklung über einen HF-Gleichrichter (6) mit mindestens einer Stromquelle (8) verbunden ist, an die mindestens eine LED (9) anschließbar ist.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem EMV-Filter (2) ein Gleichrichter (3) zur Erzeugung einer gleichgerichteten Zwischenkreisspannung zum Betrieb des Wechselrichters (4) angeschlossen ist.

3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (4) eine selbstschwingende Schaltung aufweist.

4. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (4) mit integrierten Bausteinen ausgeführt ist.

5. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (4) ein Halbbrückendurchflußwandler ist.

6. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des HF-Gleichrichters (6) eine Glättungsschaltung (7) angeschlossen ist.

7. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem HF-Gleichrichter (6) eine Mehrzahl von Stromquellen (8) angeschlossen ist.

8. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen (8) als Konstantstromquellen ausgebildet sind.

9. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen (8) mit einer Überwachungsschaltung (10) zur Begrenzung der Verlustleistung im Regelbaustein versehen sind.

10. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung (10) als Temperaturüberwachungsschaltung ausgebildet ist.

11. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung (10) als Spannungs-Überwachungsschaltung ausgebildet ist.

12. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Konstantstromquellen (8) über einen gemeinsamen Masseanschluß für den Anschluß der LED (9) verfügen.