DE60120563T2 - Schaltungsanordnung für ein led-beleuchtungsmodul - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Versorgungsbaugruppe für ein LED-Beleuchtungsmodul gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Eine derartige Versorgungsbaugruppe wird in US-A-5 912 568 beschrieben. Die Spannungsquelle dieser Versorgungsbaugruppe ist eine Batterie. Die Erfindung betrifft jedoch Versorgungsbaugruppen, die an eine Netzspannung angeschlossen werden können.
- LED-Beleuchtungsmodule werden stets mehr zur Beleuchtung von Objekten verwendet. Sie werden auch als Signalbeleuchtung beispielsweise in Verkehrsampeln verwendet. Die Lichtleistung eines LED-Beleuchtungsmoduls kann auf viele wohl bekannte Weisen geregelt werden. Eine der Möglichkeiten besteht darin, die Stärke des durch das Modul fließenden Stroms zu regeln (Dimmen). Dies hat den Nachteil, dass bei einer Stromstärke unterhalb von ungefähr 20% der Nennstromstärke die Beziehung zwischen der Stromstärke und der Lichtleistung weitgehend nichtlinear wird und der Wirkungsgrad des Moduls alles andere als optimal wird. Daher ist nach Lösungen gesucht worden, um die Lichtstärke unter Beibehaltung der Nennstärke des durch das Modul fließenden Stroms regeln zu können.
US 5. 661. 645 beschreibt eine Versorgungseinheit für ein LED-Beleuchtungsmodul. In jenem Dokument ist die Burststeuereinheit zwischen einem Ausgang einer Spannungsquelle und dem LED-Beleuchtungsmodul angeordnet, sodass die Stromversorgung zu dem Modul mit einer gewissen Burstfrequenz ein- und ausgeschaltet werden kann. Die Spannungsquelle ist fortwährend im Ein-Zustand, auch wenn die Stromversorgung zu dem LED-Beleuchtungsmodul unterbrochen ist, was zu einem unnötigen Energieverlust führt. - Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine effiziente, zuverlässige, preiswerte und einfache Versorgungsbaugruppe für ein LED-Beleuchtungsmodul mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird mit einer Versorgungsbaugruppe nach Anspruch 1 gelöst. Die Burstfrequenz ist vorzugsweise ein geradzahliges Vielfaches der Frequenz (ge wöhnlich 50 Hz oder 60 Hz) der Spannungsquelle, beispielsweise der Netzspannung, mit der die Versorgungsbaugruppe verbunden werden kann, und das Burststeuersignal ist mit dem Netzspannungssignal synchronisiert. Dies führt zu einer Verminderung von etwaigen Stabilitätsproblemen und Energieverlust in dem System.
- Vorzugsweise ist die Versorgungseinheit eine gesteuerte Konstantstromquelle. Dies hat den Vorteil, dass keine weiteren Maßnahmen in dem LED-Modul, wie z.B. das Vorsehen zusätzlicher Widerstände, notwendig sind, um den durch die LEDs fließenden elektrischen Strom zu regeln.
- Vorzugsweise ist die Versorgungseinheit ein Hochfrequenz-Schaltnetzteil (smps: switched mode power supply), das einen Mischstrom oder eine Mischspannung liefert, wobei die Versorgungseinheit vorzugsweise einen Halbbrückenwandler, einen Abwärtswandler (Buck-Wandler) oder einen Sperrwandler umfasst. Der Pulsdauermodulator kann vorzugsweise den Wandler mit der Burstfrequenz ein- und ausschalten. Auf diese Weise kann die gewünschte Wirkung sehr effizient erreicht werden. Zusätzlich ist vorzugsweise die Brummfrequenz des Wandlers ein geradzahliges Vielfaches der Burstfrequenz und kann die Mischspannung oder der Mischstrom mit dem Burststeuersignal synchronisiert werden, was zu einer weiteren Verminderung von etwaigen Stabilitätsproblemen und Energieverlust im System führt.
- Vorzugsweise liegt die Burstfrequenz im Bereich zwischen 50 und 200 Hz oder oberhalb von 20 kHz; noch bevorzugter beträgt die Burstfrequenz 100 Hz (wenn die Netzfrequenz 50 Hz beträgt) oder 120 Hz (wenn die Netzfrequenz 60 Hz beträgt). Bei Verwendung eines Halbbrückenwandlers ist es am besten, wenn die Burstfrequenz im Zusammenhang mit Schaltverlusten so niedrig wie möglich gewählt wird. Die Frequenz sollte jedoch vorzugsweise die Frequenz übersteigen, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann (ungefähr 70 Hz), weil bei einer niedrigeren Frequenz das von den LEDs erzeugte Flackern merkbar ist, was störend ist. Zusätzlich sollte die Frequenz vorzugsweise außerhalb des menschlichen Hörbereichs von 200 Hz bis 20 kHz liegen, um störende Geräuscheffekte zu verhindern.
- Vorzugsweise ist der von der Versorgungseinheit im Ein-Zustand an das LED-Beleuchtungsmodul gelieferte Strom ein Konstantstrom, der als Nennstrom gewählt ist und der eine optimale Lichtleistung des LED-Beleuchtungsmoduls ergibt, sodass die Versorgungseinheit für die Nennstromstärke optimiert werden kann, was eine günstige Auswirkung auf den Wirkungsgrad hat.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Burststeuereinheit mit einem Sensor gekoppelt, der imstande ist, die Temperatur und/oder die Lichtleistung des LED-Beleuchtungsmoduls zu messen, wobei die Burststeuereinheit imstande ist, die Länge der Pulse, während denen die Versorgungseinheit im Ein-Zustand ist, in Abhängigkeit von dem vom Sensor gemessenen Wert zu steuern. Dadurch kann die Lichtleistung des Moduls unter wechselnden Bedingungen stabilisiert werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Dauer der Pulse von einem Benutzer eingestellt werden. Hierdurch kann die Lichtleistung des Moduls entsprechend den Bedürfnissen des Benutzers gedimmt werden.
- Die Versorgungsbaugruppe, wie hier offenbart, ist auch geeignet, ein LED-Beleuchtungsmodul zu betreiben, das Teil einer Anzeigeeinheit ist, beispielsweise einer Flüssigkristallanzeige (LCD: liquid crystal display).
- Diese und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert.
- Es zeigen:
-
1A schematisch eine Versorgungsbaugruppe, an die ein LED-Beleuchtungsmodul angeschlossen ist. -
2 eine graphische Darstellung, in der der durch das LED-Beleuchtungsmodul fließende Strom als Funktion der Zeit gezeigt wird. -
3 ein erstes detailliertes Beispiel des in1 gezeigten Systems. -
4 ein zweites detailliertes Beispiel des in1 gezeigten Systems. - Wie in
1 gezeigt, umfasst eine Versorgungsbaugruppe I eine Versorgungseinheit, vorzugsweise eine gesteuerte Konstantstromquelle1 , die einem LED-Beleuchtungsmodul2 einen Strom zuführt. Das LED-Beleuchtungsmodul2 , beispielsweise als Hintergrundbeleuchtung für ein LCD, umfasst eine Anzahl Leuchtdioden (LEDs)3 , die parallel oder in Reihe geschaltet sind. Die Figur zeigt schematisch, dass eine Burststeuereinheit4 die gesteuerte Konstantstromquelle1 ein- und ausschalten kann. Hierzu sendet die Burststeuereinheit4 ein Burststeuersignal5 aus, das sich aus Pulsen mit einer Dauer Tpulse zusammensetzt, die die gesteuerte Konstantstromquelle1 mit einer Burstfrequenz fburst einschalten, wie in2 gezeigt. Die Burstfrequenz fBurst sollte die Frequenz übersteigen, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann (ungefähr 70 Hz), weil bei einer niedrigeren Frequenz das von dem LED-Beleuchtungsmodul erzeugte Flackern sehr störend wäre (vgl. den Monitor einer Anzeigeröhre). Die Burstfrequenz fBurst sollte jedoch einen gewissen Wert nicht übersteigen, da dies zu unnötig viel Schaltverlusten führen würde und zusätzlich unerwünschte hörbare Hintergrundgeräusche bewirken könnte. - In diesem Beispiel ist die gesteuerte Konstantstromquelle
1 ein Hochfrequenz-Schaltnetzteil (smps) mit einem Halbbrückenwandler, der von der Burststeuereinheit ein- und ausgeschaltet werden kann. Auch andere Hochfrequenz-Wandler, wie z.B. ein Abwärtswandler (Buck-Wandler), ein Sperrwandler und andere Wandlertypen sind als gesteuerte Konstantstromquelle geeignet. Eine solche bekannte gesteuerte Konstantstromquelle liefert Gleichstrom, dessen Stromstärke und/oder Spannung geregelt werden kann. Das kennzeichnende Merkmal einer solchen gesteuerten Konstantstromquelle ist, dass der Gleichstrom ein Mischstrom ist, was bedeutet, dass die Stromstärke mit hoher Brummfrequenz zwischen einem Minimumwert6 und einem Maximumwert7 variiert. Das Mittel aus diesem Minimumwert6 und Maximumwert7 ist die mittlere Gleichstromstärke8 der gesteuerten Konstantstromquelle1 . Diese Stromstärke8 ist vorzugsweise gleich dem als Nennstrom für das LED-Beleuchtungsmodul2 gewählten Strom. Das Brummsignal der gesteuerten Konstantstromquelle1 wird vorzugsweise mit dem Burststeuersignal synchronisiert, um zusätzliche Schaltverluste zu verhindern. -
2 zeigt die Situation, bei der die mittlere Größe des durch das LED-Beleuchtungsmodul2 fließenden Stroms9 auf 50% des mittleren Stroms8 der gesteuerten Konstantstromquelle eingestellt wird. Dies wird erreicht, indem die Pulsdauer Tpulse auf 50% der Zykluslänge (fburst) eingestellt wird. Durch Variieren der Pulsdauer Tpulse kann die mittlere Größe des durch das LED-Beleuchtungsmodul2 fließenden Stroms9 jeden gewünschten Wert zwischen 0% und 100% des von der gesteuerten Konstantstromquelle1 abgegebenen Nennstroms annehmen. Hierzu ist die Burststeuereinheit4 mit einem Pulsdauermodulator versehen. -
3 und4 zeigen bevorzugte Ausführungsformen einer Versorgungsbaugruppe I, wobei die in3 gezeigte Versorgungsbaugruppe I an eine Wechselspannungsquelle, wie z.B. das Netz, angeschlossen werden kann und die in4 gezeigte Versorgungsbaugruppe I an eine Gleichspannungsquelle, wie z.B. eine Batterie, angeschlossen werden kann. Genau wie bei1 umfasst das in3 und4 gezeigte Hochfrequenz-Schaltnetzteil eine gesteuerte Konstantstromquelle (Switch mode current source)1 , das LED-Beleuchtungsmodul (LED MODULE)2 und die Burststeuereinheit (Burst control)4 . - Die Burststeuereinheit
4 kann an eine Dimmeinrichtung (Dim interface)14 angeschlossen sein, die über einen Bus (Bus) von einem Benutzer eingestellt werden kann. Die Dimmeinrichtung ist umstande, die Pulsdauer (auch als Pulsbreite bezeichnet) Tpulse der Burststeuereinheit4 mit Hilfe eines Spannungssignals (Vdim) zu steuern. - Da die Lichtleistung von LEDs temperaturabhängig ist, kann die LED-Beleuchtungseinheit
2 mit Sensoren versehen sein, die die Temperatur (TEMP_OUT) und/oder die Lichtleistung (OPT_OUT) der LED-Beleuchtungseinheit2 überwachen. Die Sensoren können ein Spannungssignal (VTF bzw. VOF) an die Burststeuereinheit4 senden, welche Spannungssignale auch fähig sind, die Pulsdauer Tpulse zu steuern. Mittels dieser Rückkopplung kann die Lichtleistung des LED-Beleuchtungsmoduls2 wirkungsvoll stabilisiert werden. - Gemäß
3 wird die gesteuerte Konstantstromquelle1 in an sich bekannter Weise mittels eines Filters/Gleichrichters (Filter/rect.)10 und einer Preconditioniereinrichtung (Preconditioner)11 gespeist, die beispielsweise mit Klemmen L, N und PE an ein geerdetes Netz (110 V/60 Hz oder 230 V/50 Hz) angeschlossen sind. Bei Systemen für niedrige Leistung (< 25 W) kann die Preconditioniereinrichtung durch einen einfachen Energiezwischenspeicher ersetzt werden. Um Probleme hinsichtlich der Stabilität der Preconditioniereinrichtung zu verhindern, ist es wichtig, das Burststeuersignal mit dem Netzspannungssignal mittels eines Synchronisationssignals (Sync) zu synchronisieren. Eine Hilfsspeisung (Aux. supply)15 versorgt die verschiedenen Teile des Systems mit der notwenigen Niederspannungsversorgung. - Gemäß
4 wird die gesteuerte Konstantstromquelle1 über ein Gleichstromfilter (Filter)12 , und wahlweise einen Gleichspannungswandler (DC-DC converter)13 gespeist, die mit Klemmen L und N an einen Akkumulator oder eine Batterie angeschlossen sind.
Claims (7)
- Versorgungsbaugruppe für ein LED-Beleuchtungsmodul, mit einer Stromversorgungseinheit (
1 ), an die das LED-Beleuchtungsmodul (2 ) angeschlossen werden kann, und einer Burststeuereinheit (4 ), die fähig ist, die Stromversorgungseinheit (1 ) an dem LED-Beleuchtungsmodul (2 ) mit einer Burstfrequenz (fburst) ein- und auszuschalten, um die mittlere Lichtleistung des LED-Beleuchtungsmoduls zu regeln, wobei die Burststeuereinheit (4 ) einen Pulsdauermodulator umfasst, der fähig ist, die Länge (Tpulse) der Pulse, während derer die Stromversorgungseinheit (1 ) sich im Ein-Zustand befindet, zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Burstfrequenz (fburst) ein geradzahliges Vielfaches der Frequenz der Netzspannung ist, an die die Versorgungsbaugruppe angeschlossen werden kann, und dass die Burststeuereinheit (4 ) Mittel zum Synchronisieren des Burststeuersignals mit dem Netzspannungssignal umfasst. - Versorgungsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit (
1 ) eine gesteuerte Konstantstromquelle ist. - Versorgungsbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit (
1 ) ein Hochfrequenz-Schaltnetzteil ist, das einen Mischstrom oder eine Mischspannung liefert. - Versorgungsbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brummfrequenz der Stromversorgungseinheit (
1 ) ein geradzahliges Vielfaches der Burstfrequenz (fburst) ist und dass diese Stromversorgungseinheit (1 ) Mittel zum Synchronisieren der Mischspannung oder des Mischstroms mit dem Burststeuersignal umfasst. - Versorgungsbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Burstfrequenz (fburst) im Bereich zwischen 50 und 200 Hz oder oberhalb 20 kHz liegt.
- Versorgungsbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Burstfrequenz (fburst) 100 oder 120 Hz beträgt.
- Versorgungsbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Versorgungseinheit im Ein-Zustand an das LED-Beleuchtungsmodul gelieferte Strom (ILED) ein Konstantstrom ist, der als Nennstrom gewählt ist und der eine optimale Lichtleistung des LED-Beleuchtungsmoduls (
2 ) ergibt.
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