EP2201821B1

EP2201821B1 - Betriebsschaltung für leuchtdioden und verfahren zum betrieb von leuchtdioden

Info

Publication number: EP2201821B1
Application number: EP08840612.9A
Authority: EP
Inventors: Falk Richter
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2017-09-13
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: WO2009049876A9; AT516957B1; AT516957A5; WO2009049876A3; DE102007049533A1; EP2201821A2; DE102007049533B4; CN101828428A; WO2009049876A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung und ein Verfahren zum Betrieb von Leuchtdioden mittels Schaltreglern zur Bereitstellung der Betriebsspannung für die LEDs .
Es ist grundsätzlich bekannt, Schaltregler, insbesondere Tiefsetzsteller (Buck-Konverter) zur Ansteuerung von Leuchtdioden zu verwenden. Dabei steuert eine Steuereinheit einen getakteten Halbleiter-Leistungsschalter an, mittels dessen in dessen eingeschalteten Zustand eine Induktivität energetisiert wird, wobei sich die Energie der Induktivität im ausgeschalteten Zustand des Schalters dann über die Leuchtdiodenstrecke entlädt.
Aus der US 2007/0097044 A1 ist eine Treiberschaltung für Leuchtmittel bekannt, die ein Schalten eines Schalters abhängig von einem LED Strom erlaubt.
Es kommt somit durch die Leuchtdioden zum einem Zick-Zackförmigen Stromverlauf um einen konstanten Mittelwert herum, wobei sich im eingeschalteten Zustand des Schalters jeweils eine ansteigende Flanke und im ausgeschalteten Zustand des Schalters eine abfallende Flanke des Leuchtdiodenstroms ergibt.
Somit kann der zeitliche Mittelwert des Leuchtdiodenstroms durch entsprechende Taktung des Leistungsschalters eingestellt werden. Zur Regelung des Mittelwerts des Leuchtdiodenstroms muss dementsprechend der Strom durch die Leuchtdioden auch erfasst werden.
In Fig. 1 ist schematisch ein Beispiel für eine Schaltung zum geregelten Betrieb für Leuchtdioden dargestellt. Im hier gezeigten Beispiel gemäß Fig. 1 ist als Grundschaltung für LED-Module ein erster Buck-Konverter 10 dargestellt. Für den Betrieb zumindest einer Leuchtdiode 7 wird der Schaltung eine Eingangs-Gleichspannung V₁ zugeführt, die natürlich auch eine gleichgerichtete Wechselspannung sein kann.
Eine Serienschaltung zwischen einem Schalter 5, beispielsweise einem Halbleiter-Leistungsschalter insbesondere einem MOSFET, und einer Freilaufdiode 2 energetisiert in eingeschalteten Zustand des Schalters 5 eine Induktivität 3 mittels des durch den Schalter 5 fließenden Stroms. Im ausgeschalteten Zustand des Schalters 5 entlädt sich die in der Induktivität 3 gespeicherte Energie in Form eines Stromes durch die zumindest eine Leuchtdiode 7
Der durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 fließende Strom kann an einem Shuntwiderstand 6 durch eine entsprechende Sensorik gemessen werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass an dem Shuntwiderstand 6 der Strom nur während der Einschaltphase des Schalters 5 gemessen werden kann. In der Freilaufphase fließt der Strom durch die Freilaufdiode 2, die zumindest eine Leuchtdiode 7 und die Induktivität 3 und ist für eine am Shuntwiderstand 6 angeschlossene Sensorik nicht detektierbar.
Um jedoch einen gewissen Rippel, d. h. einen bestimmten zeitlichen Mittelwert des Leuchtdiodenstroms einhalten zu können, wird eine Information auch über den Kurvenverlauf des Stromes während der Freilaufzeit benötigt. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist das Vorsehen eines weiteren Stromsensors, durch welchen der Strom während der Freilaufphase gemessen werden kann. Nachteilig hierbei ist jedoch die aufwändige Schaltung und Sensorik sowie die damit verbundenen Fehlerquellen.
Eine weitere Möglichkeit ist es, die Elemente der Schaltung so anzuordnen, dass sowohl in der Einschaltphase als auch in der Freilaufphase der Strom detektiert werden kann. Allerdings ist eine solche Schaltung sehr aufwändig. Die Druckschrift US 2007/0097044 A1 offenbart ein Betriebsgerät für LEDs aufweisend einen Schalter. Ein Impulssignal verursacht periodisch das Wiedereinschalten des Schalters. Wenn nach Einschalten des Schalters der LED-Strom sich unterhalb bzw. oberhalb eines Schwellenwerts befindet, so wird die Periode des Impulssignals abgesenkt bzw. erhöht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode sowie ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode bereitzustellen, welcher auf einfache Art und Weise eine Konstanthaltung des Diodenstroms und somit der Diodenleistung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode, aufweisend eine Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung zugeführt wird und mittels einem durch eine Steuereinheit getakteten Schalter eine Versorgungsspannung für die wenigstens eine Leuchtdiode bereitstellt, und einen mit der Steuereinheit verbundenen Stromsensor zum Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode fließenden Stromes während der Einschaltphase des Schalters, wobei die Steuereinheit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters abhängig von dem mittels des Stromsensors während der Einschaltphase erfassten Strom bestimmt . Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, anhand eines Anstieges des mittels des Stromsensors während der Einschaltphase erfassten Stroms eine Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters zu berechnen, die zum Erreichen eines bestimmten Stromwertes am Ende einer Freilaufphase notwendig ist.
Die Steuereinheit (13) kann mittels zumindest eines durch den Stromsensor (6, 12) erfassten Stromwertes den Stromwert (I_A) am Ende der Freilaufphase (F) des Schalters (5) berechnen.
Die Steuereinheit (13) kann den berechneten Stromwert (IA) am Ende der Freilaufphase (F) mit einem vorgegebenen Sollwert vergleichen.
Die Steuereinheit kann die Zeitdauer (toff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) nicht verändern, falls der berechnete Stromwert (IA) am Ende der Freilaufphase (F) dem Sollwert entspricht.
Die Steuereinheit kann die Zeitdauer (toff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) erhöhen, falls der berechnete Stromwert (IA) am Ende der Freilaufphase (F) größer als der Sollwert ist.
Die Steuereinheit kann die Zeitdauer (toff) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) verringern, falls der berechnete Stromwert (IA) am Ende der Freilaufphase (F) kleiner als der Sollwert ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode mittels einer Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung zugeführt wird und die mittels eines getakteten Schalters eine Versorgungsspannung für die wenigstens eine Leuchtdiode bereitstellt, umfassend die Schritte Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode (LED) fließenden Stromes während der Einschaltphase des Schalters und Bestimmen der Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters abhängig von dem während der Einschaltphase erfassten Strom. Anhand eines Anstieges des während der Einschaltphase erfassten Stroms wird eine Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters berechnet, die zum Erreichen eines bestimmten Stromwertes am Ende einer Freilaufphase notwendig ist.
Vorteilhafterweise berechnet die Steuereinheit mittels zumindest eines durch den Stromsensor erfassten Stromwertes den Stromwert am Ende der Freilaufphase des Schalters.
Vorteilhafterweise vergleicht die Steuereinheit den berechneten Stromwert am Ende der Freilaufphase mit einem vorgegebenen Sollwert.
Des Weiteren verändert vorteilhafterweise die Steuereinhit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters nicht, falls der berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase dem Sollwert entspricht.
Vorteilhafterweise erhöht die Steuereinheit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters, falls der berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase größer als der Sollwert ist.
Andernfalls erhöht vorteilhafterweise die Steuereinheit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters, falls der berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase kleiner als der Sollwert ist.
Bevorzugt wartet die Steuereinheit beginnend mit der Einschaltphase des Schalters eine Ausblendzeit t_blk ab und erfasst unmittelbar nach der Ausblendzeit mittels des Stromsensors einen ersten Stromwert.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit den Stromwert am Ende der Freilaufphase mittels des ersten Stromwertes berechnet durch I_A = I_B, wobei I_A der Stromwert am Ende der Freilaufphase und I_B der erste Stromwert ist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit einen zweiten Stromwert am Ende der Einschaltphase bestimmt und
die Steuereinheit den Stromwert am Ende der Freilaufphase mittels des ersten und zweiten Stromwertes berechnet aus $I_{A} = I_{B} - \frac{I_{D} - I_{B}}{t_{on} - t_{blk}} * t_{blk},$
wobei I_A der Stromwert am Ende der Freilaufphase, I_B der erste Stromwert und I_D der zweite Stromwert ist.
Gemäß einer dritten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit nach Erfassen des ersten Stromwertes erneut die Dauer der Ausblendzeit abwartet und unmittelbar nach der zweiten Ausblendzeit einen dritten Stromwert erfasst und
dass die Steuereinheit den Stromwert am Ende der Freilaufphase mittels des ersten und dritten Stromwertes berechnet aus $I_{A} = 2 * I_{B} - I_{C},$
wobei I_A der Stromwert am Ende der Freilaufphase, I_B der erste Stromwert und I_C der dritte Stromwert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters abhängig von dem Anstieg des mittels des Stromsensors während der Einschaltphase erfassten Strom bestimmt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Hierbei zeigt

Fig. 1: einen ersten bekannten Buck-Konverter für Leuchtdioden,
Fig. 2: einen typischen Stromverlauf durch ein Leuchtdiodenmodul in einem Buck-Konverter,
Fig. 3: eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung für Leuchtdioden,
Fig. 4 und Fig. 5: Details bezüglich des Stromverlaufs durch das Leuchtdiodenmodul,
Fig. 6: in Flussdiagramm mit den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des Leuchtdiodenmoduls, und
Fig. 7: eine weitere erfindungsgemäße Betriebsschaltung für Leuchtdioden.

Fig. 2 zeigt die typischen Spannungs- und Stromverläufe in einem Buck-Konverter, bzw. im Fall einer Rechteckspannung. In Fig. 2 ist hierfür entlang der X-Achse die Zeit dargestellt und entlang der Y-Achse der Spannungsverlauf bzw. der Stromverlauf durch die zumindest eine Leuchtdiode 7.
Durch entsprechendes Ansteuern des Schalters 5 wird die Betriebsschaltung mit einer Recheckspannung versorgt, d. h. während der Einschaltphase E des Schalters 5 über eine Zeitspanne t_On wird die Betriebsschaltung mit einer bestimmten Spannung versorgt, und während einer Freilaufphase F über eine Zeitspanne t_Off, während welcher der Schalter 5 offen ist, wird die Schaltung nicht durch die Spannungsquelle versorgt.
Durch die bereits erläuterte Induktivität 3 ergibt sich an der zumindest einen Leuchtdiode 7 ein Stromverlauf wie in Fig. 2 dargestellt. Während der Einschaltphase E des Schalters 5 steigt der Strom durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 an und während der darauffolgenden Freilaufphase F sinkt der Strom durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 wieder ab. Allerdings entsteht beim Einschalten des Schalters 5 zu Beginn der Einschaltphase E durch ein Snubber-Netzwerk oder die parasitäre Kapazität des Schalters 5 eine Stromspitze. Nach dessen Abklingen steigt der Strom aufgrund der Induktivität 3 linear an. Nach dem Ausschalten des Schalters 5 läuft sich die Induktivität über die Last und die Diode 2 frei. Die Zeitdauer während der Stromspitze wird als Blanking-Time t_blk bzw. als Ausblendzeit t_blk bezeichnet.
Um einen konstanten zeitlichen Mittelwert für den Leuchtdiodenstrom zu erhalten, ist es notwendig, den Stromwert am Ende der Freilaufzeit zu kennen, da in Abhängigkeit von diesem Stromwert die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters 5 festgelegt wird. Da aber wie bereits erläutert, der Freilaufstrom nicht über den Shuntwiderstand wegläuft, kann dieser Strom nicht detektiert werden.
Die vorliegende Erfindung umgeht dieses Problem, indem der Strom direkt nach dem Einschalten des Schalters 5 detektiert wird und durch die Messwerte des Stromes während der Einschaltzeit E auf den Freilaufstrom rückgeschlossen wird.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung 1 für den Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode 7. Die Schaltung entspricht hierbei dem ersten Buck-Konverter 11, wie er in Fig. 1 dargestellt ist und bereits erläutert wurde. Erfindungsgemäß ist hierbei zusätzlich ein Sensor 12 vorgesehen, welcher geeignet ist, den mittels des Shuntwiderstands 6 gemessenen Strom zu detektieren und den Wert an eine Steuereinheit 13 weiterzuleiten. Die Steuereinheit 13 steuert den Schalter 5 an und ist des Weiteren geeignet, auf Basis der von dem Sensor 12 übermittelten Strommesswerte die Ausschaltzeitdauer t_Off sowie die Einschaltzeitdauer t_On des Schalters 5 entsprechend zu bestimmen. Die Bestimmung der Ausschaltzeitdauer t_Off durch die Steuereinheit 13 wird im Folgenden im Detail erläutert.
In Fig. 4 ist nochmals der Spannungs- und Stromverlauf in einem Leuchtdiodenmodul dargestellt. Eine erste Möglichkeit, auf den Strom I_A am Ende der Freilaufzeit rückschließen zu können, ist, nach der Ausblendzeit, d.h. der Blankingtime t_blk, einen ersten Stromwert I_B zu messen. Bei dieser ersten Möglichkeit wird davon ausgegangen, dass t_blk viel kleiner ist als t_On und somit der nach der Blankingtime gemessene Strom I_B ungefähr dem Strom I_A am Ende der Freilaufzeit entspricht. Somit kann der Stromwert am Ende der Freilaufphase mittels der ersten Stromwertes berechnet werden aus I_A = I_B.
Der so berechnete Stromwert am Ende der Freilaufphase I_A wird mit einem Sollwert verglichen und falls I_A größer als der gewünschte Sollwert ist, so wird beim nächsten Takt die Zeitdauer t_Off zwischen einem Ausschalten und einem Folgenden Anschalten vergrößert. Ist der Strom I_A kleiner als der gewünschte Sollwert, so wird hingegen beim nächsten Takt t_Off verkürzt. Entspricht der Strom I_A ggf. auch innerhalb vorbestimmter Toleranzwerte dem gewünschten Sollwert, so wird beim nächsten Takt t_Off unverändert belassen.
Eine zweite Methode zur Bestimmung des Stromes am Ende der Freilaufphase I_A wird im Folgenden erläutert. Diese Methode kann dann Anwendung finden, falls die Blankingtime t_blk nicht gegenüber der Einschaltzeitdauer t_On vernachlässigbar ist und durch die oben angenommene Näherung die Genauigkeitsanforderungen an I_A nicht erfüllt werden können oder im Fall, dass I_A besonders genau bestimmt werden muss. Für diesen Fall ist es möglich, noch einen zweiten Stromwert I_D am Ende der Einschaltphase E zu messen. Der Strom I_A am Ende der Freilaufphase kann dann folgendermaßen berechnet werden: $I_{A} = I_{B} - \frac{I_{D} - I_{B}}{t_{on} - t_{blk}} * t_{blk}$
Diese Berechnung beruht auf dem Prinzip, dass der Strom nach dem Einschalten des Schalters 5 linear ansteigt und somit durch zwei Messungen des Stromverlaufs I_B und I_D auf den Strom I_A am Ende der Freilaufphase zurückgerechnet werden kann.
Der Rechenaufwand für die oben genannte zweite Methode ist insbesondere bei einer Digitalschaltung verhältnismäßig kompliziert, da sowohl Division als auch Multiplikation durchgeführt werden muss.
Erfindungsgemäß wird daher eine dritte Methode vorgeschlagen, welche auf der Messung eines dritten Stromwertes I_C basiert. Dies ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Für diese Methode wird ebenfalls die Blankingtime t_blk abgewartet und dann der erste Stromwert am Ende der Blankingtime I_B erfasst. Anschließend wird nochmals die Blankingtime t_blk abgewartet und der dritte Stromwert I_C erfasst. Da die Differenz aus I_C und I_B, also I_C - I_B, auf Grund es linearen Spulenstroms gleich der Differenz I_B - I_A, ist, kann I_A berechnet werden aus: $I_{A} = I_{B} - (I_{C} - I_{B}) = 2 * I_{B} - I_{C} .$
Somit lässt sich auch in einer Digitalschaltung der Stromwert I_A am Ende der Freilaufphase verhältnismäßig einfach berechnen, da sich die Berechnung im Digitalbereich auf eine Bitverschiebung sowie eine Subtraktion reduziert.
Durch die vorliegende Erfindung ist sichergestellt, dass der Stromfluss durch die zumindest eine Leuchtdiode 7 möglichst nie auf Null abfällt, d. h. die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den continuous conduction mode. Somit ergibt sich ein möglichst kleiner Rippel des Stromverlaufs durch die zumindest eine Leuchtdiode 7.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Übersicht in Fig. 6 nochmals schematisch dargestellt. Das Verfahren beginnt in Schritt S0 mit dem Ende der Freilaufphase F. Im folgenden Schritt S1 gibt die Steuereinheit 13 das Signal für die Einschaltphase an den Schalter 5 aus. Im folgenden Schritt S2 wird die Ausblendzeit, d. h. die Blankingtime t_blk abgewartet. Im folgenden Schritt S3, welcher auch aus mehreren
Unterschritten bestehen kann, wird zumindest ein Stromwert, d.h. ein Messwert des Stromes während der Einschaltphase, durch den Shuntwiderstand 6 und die Sensorik 12 aufgenommen.
Im folgenden Schritt S4 berechnet die Steuereinheit auf Basis der übermittelten Stromwerte den Rücklaufstrom, d. h. den Strom I_A am Ende der Freilaufphase. Im folgenden Schritt S5 wird überprüft, ob der Rücklaufstrom einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Falls dies der Fall ist, wird im folgenden Schritt S7 keine Veränderung der Ausschaltzeit t_Off vorgenommen.
Andernfalls, falls im Schritt S5 festgestellt wird, dass der Rücklaufstrom I_A nicht einem Sollwert entspricht, wird im folgenden Schritt S6 überprüft, ob der Rücklaufstrom I_A größer als der Sollwert ist. Falls dies der Fall ist, wird in einem folgenden Schritt S9 die nächste Ausschaltzeit erhöht, andernfalls wird in einem folgenden Schritt S8 die folgende Ausschaltzeit verringert. Hierbei ist die Ausschaltzeit die Zeitdauer zwischen dem Ausschalten und dem folgenden Einschalten des Schalters 5. Das Verfahren endet in Schritt S10.
Die in Schritt S4 vorgenommene Berechnung kann hierbei auf einer der drei genannten Methoden basieren in Abhängigkeit von den Voreinstellungen und den aufgenommenen Messwerten. Eine weitere Möglichkeit der Regelung besteht darin, daß der Anstieg des durch den Stromsensor 6,12 erfassten Stromwertes ausgewertet wird. Dabei wird die Differenz zwischen dem Stromwert am Anfang und am Ende der Einschaltphase ermittelt. Aus dem Anstieg des Stromes kann auf die Größe der Induktivität 3 oder auch die Flußspannung der Leuchtdiode 7 geschlossen werden. Wenn die Größe der Induktivität 3 oder auch die Flußspannung der Leuchtdiode 7 bekannt sind, kann auf die für ein Erreichen eines Rücklaufstromes I_A erforderliche Ausschaltzeit t_off geschlossen werden.
Die Berechung der erforderlichen Ausschaltzeit t_off bereits während einer Einschaltphase E anhand des Anstiegs des Stromes durch den Schalter S bietet den Vorteil, daß bereits vor der ersten Freilaufphase F die Ausschaltzeit vorausbestimmt werden kann.
Während der Einschaltphase ergibt sich der Strom durch den Schalter S aus dem Quotienten von Spannung über der Induktivität 3 und dem Wert der Induktivität 3 multipliziert mit der Einschaltzeit. Während der Ausschaltzeit ergibt sich der Abfall des Strom im Freilaufpfad (durch die Leuchtdiode 7) aus dem Quotienten von Spannung über der Induktivität 3 und dem Wert der Induktivität 3 multipliziert mit der Ausschaltzeit. Da während der Freilaufphase die Spannung über der Induktivität in etwa der Spannung über der Leuchtdiode 7 entspricht (die Differenz ergibt sich aus der Flußspannung der Freilaufdiode 2). Somit kann über die Dauer von Einschaltphase E und Ausschaltphase F sowie durch Messung der Einschaltzeit und Ausschaltzeit t_off sowohl die Flußspannung der Leuchtdioden 7 als auch die Induktivität 3 bestimmt werden.
Wenn die Größe der Induktivität 3 oder die Flußspannung der Leuchtdiode 7 bereits (beispielsweise durch die Auslegung der Betriebsschaltung) bekannt ist, wird die Ermittlung der erforderlichen Ausschaltzeit vereinfacht. Es ist aber auch möglich, während des Betriebs die Spannung über der Induktivität 3 oder auch der Leuchtdiode 7 zu messen. Wenn der Schalter S eingeschaltet ist, kann gemäß der Schaltung nach Fig. 3 die Spannung über der Induktivität 3 über eine Spannungsmessung am Anschlußpunkt zwischen der Induktivität 3 und der Leuchtdiode 7 gemessen werden. Wenn beide Bauteile vertauscht sind, kann auf einfache Weise die Flußspannung über der Leuchtdiode 7 gemessen werden. Eine solche Spannungsmessung kann auch für eine Fehlererkennung genutzt werden. So kann beispielsweise auf einen Fehler der Leuchtdiode 7 oder auch auf einen durch einen in der Verkabelung der Leuchtdiode 7 verursachten Fehler wie einen Kurzschluß geschlossen werden.
Bei einer Speicherung der Werte für den Stromwert I_A kann eine zeitliche Überwachung der erfassten Stromwerte durchgeführt werden. Wenn eine Änderung der erfaßten Stromwerte erkannt wird, kann auf einen möglichen Fehler oder auch eine Alterung der Leuchtdiode 7 oder auch anderer Bauteile geschlossen werden.
Auch für die Berechnung der erforderlichen Ausschaltzeit t_off anhand des Anstiegs des Stromes durch den Schalter S während einer Einschaltphase E kann das bereits erläuterte Verfahren der Berücksichtigung der Ausblendzeiten t_blk genutzt werden.
Unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Vergleich des erfassten Stromwertes I_A am Ende der Freilaufphase F mit einem vorgegebenen Sollwert kann dabei die Bestimmung der Induktivität 3 oder auch der Flußspannung der Leuchtdiode 7 korrigiert oder auch vervollständigt werden. Somit kann anhand des Anstieges des Stromes während einer Einschaltphase die erforderliche Zeitdauer t_off berechnen, die zum Erreichen eines bestimmten Stromwertes I_A am Ende der Freilaufphase F notwendig ist. Zusätzlich kann dann der tatsächlich erreichte Stromwert I_A am Ende der Freilaufphase F mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen werden und die Zeitdauer t_off nochmals angepasst werden.
Bei dem Einsatz einer Digitalschaltung ist die Nutzung eines Speichers wie auch die Durchführung der notwendigen Berechnungen auf einfache Weise realisierbar. Eine solche Digitalschaltung verfügt vorteilhafterweise über mindestens einen Analog-Digital-Wandler zur Erfassung der Strom- und Spannungswerte, einen Rechenblock zur Verarbeitung und Berechung der entsprechenden Werte sowie ein Speicher-Register zur Ablage der Messwerte und berechneten Werte.
Eine vorteilhafte Auslegung der erfindungsgemäßen Betriebsschaltung kann so ausgeführt sein, dass für die Regelung des Stromes durch die Leuchtdiode 7 nur der Strom während der Einschaltphase gemessen und ausgewertet wird, während eine vorhandene Spannungsdetektion nur für eine Fehlerabschaltung verwendet wird. Somit kann beispielsweise ein Komparator zur Überwachung der Spannung der Leuchtdiode 7 oder der Spannung über der Induktivität 3 eingesetzt werden, womit eine kostengünstige Schaltung aufgebaut werden kann.
Um eine möglichst genaue Bestimmung der notwendigen Schaltparameter wie der Ausschaltzeit t_off zu ermöglichen, kann es vorteilhaft sein, die Temperatur der Leuchtdiode 7 zu überwachen.
Fig. 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Betriebsschaltung 1 für den Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode 7. Die Schaltung entspricht hierbei einem Buck-Boost-Konverter 110. Erfindungsgemäß wird hierbei mittels des Shuntwiderstands 6 der Strom durch den Schalter 5 gemessen und der Wert an eine Steuereinheit 13 weitergeleitet. Die Steuereinheit 13 steuert den Schalter 5 an und ist des Weiteren geeignet, auf Basis der von dem Shuntwiderstand 6 übermittelten Strommesswerte die Ausschaltzeitdauer t_Off sowie die Einschaltzeitdauer t_On des Schalters 5 entsprechend zu bestimmen. Während der Einschaltphase E des Schalters 5 wird die Induktivität 3 aufmagnetisiert. Während der Ausschaltphase F über eine Zeitspanne toff wird die Induktivität 3 entmagnetisiert, wobei der Strom durch die Leuchtdiode 7 und die Diode 2 fließt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für alle Schaltungstopologien zum Betrieb von Leuchtdioden eingesetzt werden, bei denen keine direkte Messung des Stromes durch die Leuchtdioden möglich ist, weil die Leuchtdioden nicht direkt gegen Masse verschaltet sind, sondern auf einem gegenüber Masse veränderlichen Potential angeschlossen sind. Dieses Verfahren kann daher auch bei Betriebsschaltungen mit Potentialtrennung eingesetzt werden, wobei während einer Einschaltphase E eine Induktivität 3 aufmagnetisiert wird und in einer darauffolgenden Ausschaltphase F entmagnetisiert wird und dabei einen Strom durch wenigstens eine Leuchtdiode 7 treibt. Die Induktivität 3 kann eine Sekundärwicklung aufweisen, über die sie ihre Energie während der Ausschaltphase F abgibt, wodurch die Potentialtrennung in der Schaltung erreicht wird. Eine solche Schaltung kann beispielsweise ein Forward-Konverter sein. Dabei wird der Strom durch einen Schalter (und der Stromanstieg) während einer Einschaltphase E erfasst und ausgewertet und das notwendige Schaltverhalten des Schalters 5 (beispielsweise die (Ausschalt-)Zeitdauer t_off) bestimmt
Die vorliegende Betriebsschaltung und das vorliegende Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode ergibt also, dass unabhängig von der Last, beispielsweise unabhängig von der Anzahl der versorgten Leuchtdioden, der Stromverlauf immer zwischen einem Wert I_max und einem Wert Imin gehalten wird, d. h. dass immer bei demselben Wert I_min>0 das Wiedereinschalten des Schalters 5 erfolgt. Ein Vorteil des durch die Erfindung garantierten verhältnismäßig geringen Rippels, d. h. der Differenz zwischen Imin und I_max, also I_min-I_max, ist es, dass die Leuchtdiode im Wesentlichen mit einem gleichbleibenden Strom versorgt wird, so dass sich die Farbverschiebung bei sehr unterschiedlichen Leuchtdiodenströmen nicht zeigt. Dies ist ein Nachteil von Schaltungen, die im discontinuous mode arbeiten, bei dem also der Leuchtdiodenstrom auf Null absinkt und ggf. auch eine zeitlang auf Null verbleibt, bevor der Schalter wieder eingeschaltet wird.

Claims

Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode (7), aufweisend
eine Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung zugeführt wird und mittels einem durch eine Steuereinheit (13) getakteten Schalter (5) eine Versorgungsspannung für die wenigstens eine Leuchtdiode (7) bereitstellt, und einen mit der Steuereinheit (13) verbundenen Stromsensor (6, 12) zum Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode (7) fließenden Stromes während der Einschaltphase (E) des Schalters (5), dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (13) dazu ausgebildet ist, anhand eines Anstieges des mittels des Stromsensors (6, 12) während der Einschaltphase (E) erfassten Stroms eine Zeitdauer (t_off) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) zu berechnen, die zum Erreichen eines bestimmten Stromwertes (I_A) am Ende einer Freilaufphase (F) notwendig ist.
Schaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (13) beginnend mit der Einschaltphase (E) des Schalters (5) eine Ausblendzeit (t_blk) abwartet und unmittelbar nach der Ausblendzeit (t_blk) mittels des Stromsensors (6, 12) einen ersten Stromwert (I_B) erfasst.
Schaltung (1) nach Anspruch 2,
wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (I_A) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten Stromwertes (I_B) berechnet durch $I_{A} = I_{B},$
wobei I_A der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F) und I_B der erste Stromwert ist.
Schaltung (1) nach Anspruch 2,
wobei die Steuereinheit (13) einen zweiten Stromwert (I_D) am Ende der Einschaltphase (E) bestimmt und
wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (I_A) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten (I_B) und zweiten Stromwertes (I_D) berechnet aus $I_{A} = I_{B} - \frac{I_{D} - I_{B}}{t_{on} - t_{blk}} * t_{blk},$
wobei I_A der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F), I_B der erste Stromwert und I_D der zweite Stromwert ist.
Schaltung (1) nach Anspruch 2,
wobei die Steuereinhit nach Erfassen des ersten Stromwertes (I_B) erneut die Dauer der Ausblendzeit (t_blk) abwartet und unmittelbar nach der zweiten Ausblendzeit (t_blk) einen dritten Stromwert (I_c) erfasst und
wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (I_A) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten (I_B) und dritten Stromwertes (I_C) berechnet aus $I_{A} = 2 * I_{B} - I_{C},$
wobei I_A der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F), I_B der erste Stromwert und I_C der dritte Stromwert ist.
Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode (7) mittels einer Schaltreglerschaltung, der eine Gleichspannung zugeführt wird und die mittels eines getakteten Schalters (5) eine Versorgungsspannung für die wenigstens eine Leuchtdiode (7) bereitstellt, umfassend den Schritt
- Erfassen des durch die zumindest eine Leuchtdiode (7) (LED) fließenden Stromes während der Einschaltphase (E) des Schalters (5)
dadurch gekennzeichnet, dass
anhand eines Anstieges des während der Einschaltphase (E) erfassten Stroms eine Zeitdauer (t_off ) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) berechnet wird, die zum Erreichen eines bestimmten Stromwertes (I_A) am Ende einer Freilaufphase (F) notwendig ist.
Verfahren nach Anspruch 6,
wobei die Zeitdauer (t_off) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) abhängig von dem Anstieg des mittels des Stromsensors (6, 12) während der Einschaltphase (E) erfassten Strom bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
wobei die Steuereinheit die Zeitdauer (t_off) zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (5) erhöht, falls der berechnete Stromwert (I_A) am Ende der Freilaufphase (F) größer als der Sollwert ist, und/oder
diese Zeitdauer verringert, falls der berechnete Stromwert kleiner als der Sollwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
wobei die Steuereinheit (13) beginnend mit der Einschaltphase (E) des Schalters (5) eine Ausblendzeit (t_blk) abwartet und unmittelbar nach der Ausblendzeit (t_blk) mittels des Stromsensors (6, 12) einen ersten Stromwert (I_B) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 9,
wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (I_A) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten Stromwertes (I_B) berechnet durch $I_{A} = I_{B},$
wobei I_A der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F) und I_B der erste Stromwert ist.
Verfahren nach Anspruch 9,
wobei die Steuereinheit (13) einen zweiten Stromwert (I_D) am Ende der Einschaltphase (E) bestimmt und
wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (I_A) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten (I_B) und zweiten Stromwertes (I_D) berechnet aus $I_{A} = I_{B} - \frac{I_{D} - I_{B}}{t_{on} - t_{blk}} * t_{blk},$
wobei I_A der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F), I_B der erste Stromwert und I_D der zweite Stromwert ist.
Verfahren nach Anspruch 9,
wobei die Steuereinhit nach Erfassen des ersten Stromwertes (I_B) erneut die Dauer der Ausblendzeit (t_blk) abwartet und unmittelbar nach der zweiten Ausblendzeit (t_blk) einen dritten Stromwert (I_C) erfasst und
wobei die Steuereinheit (13) den Stromwert (I_A) am Ende der Freilaufphase (F) mittels des ersten (I_B) und dritten Stromwertes (I_C) berechnet aus $I_{A} = 2 * I_{B} - I_{C},$
wobei I_A der Stromwert am Ende der Freilaufphase (F), I_B der erste Stromwert und I_C der dritte Stromwert ist.