EP2540139B1 - Led-spannungsmessung - Google Patents

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EP2540139B1
EP2540139B1 EP11703901.6A EP11703901A EP2540139B1 EP 2540139 B1 EP2540139 B1 EP 2540139B1 EP 11703901 A EP11703901 A EP 11703901A EP 2540139 B1 EP2540139 B1 EP 2540139B1
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EP
European Patent Office
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voltage
led
light
emitting diode
current mirror
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP11703901.6A
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English (en)
French (fr)
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EP2540139A2 (de
Inventor
Dominique Combet
Thomas Kuch
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Tridonic AG
Original Assignee
Tridonic AG
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Publication date
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Publication of EP2540139B1 publication Critical patent/EP2540139B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/50—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
    • H05B45/59—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits for reducing or suppressing flicker or glow effects

Definitions

  • the present invention relates to a voltage measuring circuit for one or more light-emitting diodes (LEDs) and to operating circuits for LEDs with such a circuit for measuring the voltage across an LED path which has one or more LEDs.
  • the LEDs can u.a. be organic or inorganic LEDs.
  • a control unit controls a clocked semiconductor power switch, by means of which an inductance is magnetized in its on state, wherein the inductance in the off state of the switch then eg. Via the LED discharges or demagnetizes.
  • the current does not necessarily have to flow through the light-emitting diode path during the switch-on and switch-off phase (see, for example, step-up converter).
  • the use of an operating circuit with control is advantageous. This requires a returned measured variable, for example the voltage drop across the LEDs or current flowing through the LEDs. It is advantageous to know the voltage across the LED track. It may also be advantageous to use the LED voltage for fault monitoring (eg short-circuit detection, overload detection, etc.).
  • DE 102006034371 A1 shows an operating circuit for measuring the voltage across the LED track, as in the adjacent Figure 5 is shown.
  • a switch S1 By means of a switch S1, an inductance L1 is selectively charged and discharged, which forms a freewheeling path with a diode D1 and the LED path L.
  • a filter / smoothing capacitor C1 Parallel to the LED path L, a filter / smoothing capacitor C1 is connected.
  • Bus voltage V in ie, a DC supply voltage
  • V kath the LED cathode voltage
  • a control unit determines from the difference between the two values the voltage U LED across the LED path L, which has one or more LEDs connected in series.
  • the measurement of the bus voltage V in takes place in this prior art via a Meßabgriff M1 at the midpoint of a two resistors R10, R11 having voltage divider ST1, which is connected in parallel to a supply voltage source VQ.
  • the measurement of the LED cathode voltage V kath takes place at a measuring tap M2 at the midpoint of a voltage divider ST2 having two resistors R20, R21, which is connected in series with the LED path L on the cathode side.
  • a power loss occurs at each voltage measuring tap M1, M2, that is to say at both voltage dividers ST1, ST2.
  • Such power dissipation may be, for example, up to several 100mW per LED channel, i. per LED track, with LED lighting means having multiple of these channels.
  • the cathode-side potential is pulled to zero because of the fact that the filter capacitor C1 is charged via the voltage divider ST2, while an arbitrarily high supply voltage (for example 400 volts) is applied to the anode side ) may be present.
  • an arbitrarily high supply voltage for example 400 volts
  • hot-swapping i.
  • the LED can be destroyed by high pulse currents, which are caused by the discharge of the filter capacitor.
  • the invention is therefore based on the object to provide a voltage measuring circuit, in which at least one of the above-mentioned problems is rudimentary reduced.
  • the invention deals with a voltage measuring circuit for a light-emitting diode path with at least one light-emitting diode.
  • a DC voltage is supplied to the light-emitting diode path.
  • Parallel to the light-emitting diode path the primary side of a current mirror is connected.
  • On the secondary side of the current mirror is now according to the invention at a measuring resistor to a Voltage drop across the LED strip proportional measuring voltage tapped.
  • the current mirror has at least two transistors. Of these, preferably one each connected to the primary and one on the secondary side of the current mirror. To improve the behavior of the current mirror but also circuits come with a larger number of transistors in question.
  • the transistors may be bipolar transistors and / or field-effect transistors.
  • the at least two transistors can also have identical electrical properties. They can be designed as an integrated component.
  • the measuring resistor on the secondary side of the current mirror is connected in a preferred embodiment in series with the secondary-side transistor.
  • Another resistor on the primary side of the current mirror is preferably connected in series with the primary-side transistor. This serves to dimension the current to be mirrored.
  • the invention deals with an operating circuit for at least a light-emitting diode path with at least one light-emitting diode.
  • This operating circuit has a switching regulator circuit.
  • the switching regulator circuit is supplied with a DC voltage.
  • the switching regulator circuit provides a constant current for the at least one light emitting diode path.
  • Parallel to the light-emitting diode path the primary side of a current mirror is connected. On the secondary side is at a resistor a tapped to the voltage drop across the LED strip proportional measurement voltage.
  • the operating circuit may have a voltage measuring circuit according to the invention, as has been described above.
  • the current flowing through the light-emitting diode path is preferably set by means of a coil and the timing of a switch controlled by a control and / or regulating circuit.
  • the measuring voltage can be compared as a feedback signal with a setpoint to clock depending on a possible difference as a control variable the switch. It serves as a monitor, for example as an error detection or shutdown (e.g., short circuit detection, overload detection, etc.). All evaluation functions, i. Control and fault monitoring and possibly shutdown) can be integrated in the example. As IC running control / regulating device.
  • the control and / or regulating circuit can determine the time duration between a switch-off and a subsequent switch-on of the switch as a function of the voltage across the at least one light-emitting diode and a time-constant characteristic variable of the coil.
  • the control and / or regulating circuit can also detect the coil characteristic via the rising slope of the coil current and by the inclusion of the coil voltage.
  • control and / or regulating circuit does not detect the current through the at least one light-emitting diode.
  • the control and / or regulating circuit may be an integrated circuit.
  • the control and / or regulating circuit can control the switch in the form of PWM-modulated signals.
  • the switching regulator may be, for example, a boost converter, a buck converter, a flyback converter, etc.
  • a capacitor is preferably connected, in particular for smoothing the DC voltage.
  • the invention also relates to an LED module, comprising at least one LED, which is supplied by the operating circuit.
  • the invention also relates to a lighting device, comprising an LED module with at least one LED, which is supplied by the operating circuit.
  • the invention also relates to a method for measuring voltage for a light-emitting diode path with at least one light emitting diode, the LED is supplied with a DC voltage, and parallel to the light emitting diode path, the primary side of a current mirror is connected, wherein on the secondary side of the current mirror to a measuring resistor to a voltage drop across the LED strip proportional measuring voltage is tapped.
  • FIGS. 1 to 4 show embodiments of the inventive LED voltage measuring circuit 1.
  • the LED voltage measuring circuit 1 is designed such that no measuring resistor (R20, R21) in series with the LED line L is required.
  • the LED voltage U LED reproducing, measuring signal U MESS coupled by means of a current mirror S.
  • FIGS. 2 to 4 show examples of possible embodiments of the current mirror S, wherein, however, any further embodiments of current mirrors, for example, can also be found with an even higher number of transistors, application.
  • the current mirror is formed with three transistors T1, T2, T3, of which two T2, T3 are arranged on the secondary side P2 of the current mirror, wherein the transistors T1, T2, T3 are formed as bipolar transistors.
  • the current mirror S is constructed with a transistor T1 on the primary side P1 and a transistor T2 on the secondary side P2, wherein the transistors T1, T2 are formed as bipolar transistors.
  • the current mirror S is constructed with a transistor T1 on the primary side P1 and a transistor T2 on the secondary side P2, wherein the transistors T1, T2 are formed as MOSFETs.
  • a current mirror S can also be constructed with three MOSFETs.
  • the LED voltage measuring circuit 1 according to the invention is used in an operating circuit 2 which is designed to operate a light-emitting diode path L.
  • the voltage measuring circuit according to the invention is not limited to the operating circuit 2, but rather can be used in any circuit in which a voltage measurement is to be made.
  • the invention is not limited to the field of LEDs, but can be used in a circuit with any load.
  • the operating circuit 2 is supplied with an input DC voltage Vin or a rectified AC voltage.
  • a switching regulator circuit SRS has a series connection between a semiconductor power switch S1 (for example, a MOSFET) and a freewheeling diode D1.
  • the series circuit magnetizes in the on state of the switch S1, an inductor L1 by means of the Switch S1 flowing current.
  • the energy stored in the coil L1 discharges in the form of a falling current i through the light-emitting diode path LED (the coil L1 is demagnetized). This results in a current profile in which rising cycles and declining cycles alternate with the periodicity of the switch control. Decisive for the light output is the temporally averaged current.
  • the triangular current through the light-emitting diode path can be smoothed by a filter capacitor C1.
  • a control and / or regulating circuit SR which sets the clocking of the switch S1, for example in the form of PWM-modulated signals as a manipulated variable of the control of the LED power.
  • the feedback signal to which is regulated (and which, for example, is compared with a target value) at least the current flowing through the LED path L is measured. This LED current can be measured at any point in the LED current path.
  • the voltage across the LED path is of interest for the correct operation of the LEDs.
  • the voltage across the LED track is measured by means of the current mirror circuit described.
  • the light-emitting diode path has one or more parallel, but preferably in series LEDs and / or OLEDs. These may be, for example, monochromatic LEDs, color-converted white LEDs and / or RGB-LED modules. In the case of the latter, it is particularly advantageous if each luminous color is arranged in a separate LED segment ("LED channel") and each LED segment is regulated via its own feedback signal, such as the current flowing in the LED segment.
  • the current mirror can have a transistor T1, T2 and a series-connected resistor R1, R2 on the primary side as well as on the secondary side.
  • the transistors in the embodiment of FIG Figure 4 to field effect transistors (FETs), in particular MOSFETs.
  • FETs field effect transistors
  • the current mirror can also be any other embodiment known from the prior art.
  • the actual measurement of the LED voltage takes place through the secondary side P2 of the current mirror S. Due to the current mirror function, the identical current flows on the secondary side as on the primary side of the current mirror S and thus through a secondary-side measuring resistor R2. The voltage Umess at this resistor R2 thus reflects the LED voltage Uled again.
  • the resistor R1 on the primary side P1 serves to dimension the measuring voltage Umess picked up at the resistor R2.
  • the measured voltage Umess is thus proportional to the voltage Uled, wherein the factor between the two voltages can be adjusted by the size of the resistors R1 and R2.
  • the measurement of the LED voltage for fault monitoring such as e.g. Short circuit detection or overload detection can be used on the LED track or in the output circuit or the wiring.
  • the measurement of the LED voltage can be used for the determination of the LED current or the LED temperature, so it can be done an indirect detection of the LED current or the LED temperature. It can be concluded by means of value tables or stored characteristics or formulas with the aid of the measured LED voltage on the LED current or the LED temperature.
  • the charge i. the voltage across the capacitor C1 parallel to the LED discharged via the resistor R1 of the primary side P1 of the current mirror S.
  • the voltage across the LED goes to zero.
  • the power loss in standby mode goes to zero stationary.
  • the light-emitting diode path L is no longer connected to ground via a measuring circuit on the cathode side, the problem of unwanted glaring of the LEDs is also reduced.
  • Another advantage is that when the LED is removed from the circuit, the voltage across the capacitor C1 is discharged through the resistor R1 on the primary side P1 of the current mirror. When the LED is then reinserted, the voltage of the charged capacitor C1 does not drop off directly, but rather a voltage across the LED will be applied again when it is switched on again.
  • the problem is that when re-inserting the cathode-side potential is pulled to zero due to the measuring channel, while the anode side, the supply voltage of, for example, 400 volts applied, thus resolved.
  • a so-called 'hot-swapping' which corresponds to the removal and re-insertion of an LED during operation, there is the risk that the LED will be destroyed becomes significantly smaller than in the prior art.
  • the 'hot-swapping' is electrically synonymous with an interrupt error, ie that the LED link is interrupted and then again supply voltage.
  • the voltage measuring circuit counteracts this risk in the case of 'hot-swapping', since the voltage across the capacitor C1 is discharged through the resistor R1 on the primary side P1 of the current mirror.
  • the two transistors T1 and T2 of the current mirror should have identical electrical properties, the two transistors are preferably integrated in one component.
  • a method for measuring voltage for a light-emitting diode path L with at least one light-emitting diode LED is possible, wherein the light-emitting diode is supplied with a DC voltage.
  • the primary side P1 of a current mirror S is connected.
  • a measuring voltage UMESS proportional to the voltage drop ULED across the light-emitting diode path L is tapped on a measuring resistor R2.
  • the current mirror measurement can be used to measure a DC current in a measuring branch P2 which is not connected in series with the light-emitting diode path. There is also no difference measurement (bus voltage minus cathode voltage) instead, but a direct measurement of the voltage across the LED track.
  • a measurement of the light-emitting diode path voltage is performed by means of a measuring resistor, which is not connected in series with the light-emitting diode path. But it is also no measurement of the LED current by means of a measuring resistor, which is connected in series with the light-emitting diode path, necessary by the voltage measuring circuit according to the invention.

Landscapes

  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung behandelt eine Spannungsmessschaltung für eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) sowie Betriebsschaltungen für LEDs mit einer derartigen Schaltung zur Messung der Spannung über einer LED-Strecke, die eine oder mehrere LEDs aufweist. Die LEDs können u.a. organische oder anorganische LEDs sein.
  • Es ist grundsätzlich bekannt, eine Betriebsschaltung mit Schaltreglern, insbesondere Tiefsetzsteller (Buck Converter), Hochsetzstellern, Flyback-Konvertern etc. zur Ansteuerung von LEDs zu verwenden (diese Schaltregler können sämtlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden). Dabei steuert eine Steuereinheit einen getakteten Halbleiter-Leistungsschalter an, mittels dem in dessen eingeschalteten Zustand eine Induktivität magnetisiert wird, wobei sich die Induktivität im ausgeschalteten Zustand des Schalters dann bspw. über die LED entlädt bzw. entmagnetisiert. Je nach Schaltung muss aber der Strom nicht gezwungenermassen während der Ein- und Ausschaltphase durch die Leuchtdiodenstrecke fliessen (siehe z.B. Hochsetzsteller).
  • Für den Betrieb von LEDs ist der Einsatz einer Betriebsschaltung mit Regelung vorteilhaft. Diese bedarf einer rückgeführten Messgröße, beispielsweise der an den LEDs abfallenden Spannung oder durch die LEDs fließenden Strom. Es ist vorteilhaft, die Spannung über der LED-Strecke zu kennen. Es kann auch vorteilhaft sein, die LED-Spannung für eine Fehlerüberwachung (z.B. Kurzschlussdetektion, Überlasterkennung, usw.) zu nutzen.
  • DE 102006034371 A1 zeigt eine Betriebsschaltung zur Messung der Spannung über der LED-Strecke, wie sie in der anliegenden Fig.5 dargestellt ist. Mittels eines Schalters S1 wird selektiv eine Induktivität L1 geladen und entladen, die mit einer Diode D1 und der LED-Strecke L einen Freilaufpfad bildet. Parallel zu der LED-Strecke L ist ein Filter-/Glättungskondensator C1 geschaltet.
  • Bei dieser Schaltung wird einerseits eine sog. Busspannung Vin, d.h. eine DC-Versorgungsspannung, und andererseits die LED-Kathodenspannung Vkath gemessen. Eine Steuereinheit (in Fig. 5 nicht dargestellt) ermittelt aus der Differenz der beiden Werte die Spannung ULED über der LED-Strecke L, die eine oder mehrere in Reihe geschaltete LEDs aufweist. Die Messung der Busspannung Vin erfolgt bei diesem Stand der Technik über einen Messabgriff M1 am Mittenpunkt eines zwei Widerstände R10, R11 aufweisenden Spannungsteilers ST1, der parallel zu einer Versorgungsspannungsquelle VQ geschaltet ist. Die Messung der LED-Kathodenspannung Vkath erfolgt an einem Messabgriff M2 am Mittenpunkt eines zwei Widerstände R20, R21 aufweisenden Spannungsteilers ST2 ein, der kathodenseitig in Reihe zu der LED-Strecke L geschaltet ist.
  • Bei dieser Form der Spannungsmessschaltung tritt an jedem Spannungsmessabgriff M1, M2, also bei beiden Spannungsteilern ST1, ST2, eine Verlustleistung auf. Eine solche Verlustleistung kann bspw. bis zu mehreren 100mW pro LED-Kanal, d.h. pro LED-Strecke betragen, wobei LED-Beleuchtungsmittel mehrere dieser Kanäle aufwiesen können.
  • Darüber hinaus tritt das Problem auf, dass der kontinuierlich durch den Spannungsteiler für die LED-Kathodenspannungsmessung fließende Strom, insbesondere bei sehr effizienten LEDs, zu einem ungewünschten Glimmen der LEDs führen kann, auch wenn die LEDs eigentlich ausgeschaltet sein sollten. Dieses Glimmen könnte nur durch Abschalten der Versorgungsspannung oder durch Kurzschließen der LEDs abgestellt werden. Hierfür wäre eine zusätzliche Antiglimmschaltung notwendig, die zusätzlichen Aufwand und womöglich Verlustleistung zur Folge hätte.
  • Ferner entsteht bei einem Herausnehmen einer LED aus der Schaltung eine große Ausgangsspannung: Das kathodenseitige Potential wird dabei aufgrund der Tatsache, dass der Filterkondensator C1 über den Spannungsteiler ST2 geladen wird, auf das Potential Null gezogen, während anodenseitig eine beliebig hohe Versorgungsspannung (beispielsweise 400 Volt) anliegen kann. Bei einem sogenannten "hot-swapping", d.h. bei einem Austausch einer LED während des Betriebs, besteht dabei die Gefahr, dass die LED durch hohe Impulsströme, die durch das Entladen des Filterkondensators entstehen, zerstört werden können.
  • DE20 2007 007 776 U1 offenbart eine Leuchtdiodenanordnung mit einer Stromspiegeleinheit zur Überwachung des eingeschalteten Zustands eines Halbleiterschalters.
  • Der Erfindung liegt darum die Aufgabe zu Grunde, eine Spannungsmessschaltung bereitzustellen, bei der zumindest eines der oben genannten Probleme ansatzweise verringert wird.
  • 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 Erfindung behandelt also in einem ersten Aspekt eine Spannungsmessschaltung für eine Leuchtdiodenstrecke mit mindestens einer Leuchtdiode. Eine Gleichspannung wird der Leuchtdiodenstrecke zugeführt. Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke ist die Primärseite eines Stromspiegels geschaltet. Auf der Sekundärseite des Stromspiegels wird nun erfindungsgemäß an einem Messwiderstand eine zum Spannungsabfall über der Leuchtdiodenstrecke proportionale Messspannung abgegriffen.
  • Der Stromspiegel weist mindestens zwei Transistoren auf. Von diesen ist vorzugsweise je einer auf der Primär- und einer auf der Sekundärseite des Stromspiegels verschaltet. Zur Verbesserung des Verhaltens des Stromspiegels kommen aber auch Schaltungen mit einer grösseren Anzahl von Transistoren in Frage.
  • Es kann sich bei den Transitoren um Bipolar-Transistoren und/oder Feldeffekt-Transistoren handeln.
  • Die mindestens zwei Transistoren können auch identische elektrische Eigenschaften aufweisen. Sie können als integriertes Bauteil ausgebildet sein.
  • Der Messwiderstand auf der Sekundärseite des Stromspiegels ist in einer bevorzugten Ausführung in Reihe zu dem sekundärseitigen Transistors geschaltet.
  • Ein weiterer Widerstand auf der Primärseite des Stromspiegels ist vorzugsweise in Reihe zu dem primärseitigen Transistor geschaltet. Dieser dient der Dimensionierung des zu spiegelnden Stromes.
  • In einem weiteren Aspekt behandelt die Erfindung eine Betriebsschaltung für wenigstens Leuchtdiodenstrecke mit mindestens einer Leuchtdiode. Diese Betriebsschaltung weist eine Schaltreglerschaltung auf. Der Schaltreglerschaltung wird dabei eine Gleichspannung zugeführt. Außerdem stellt die Schaltreglerschaltung einen Konstantstrom für die wenigstens eine Leuchtdiodenstrecke bereit. Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke ist die Primärseite eines Stromspiegels geschaltet. Auf der Sekundärseite wird an einem Widerstand eine zum Spannungsabfall an der Leuchtdiodenstrecke proportionale Messspannung abgegriffen.
  • Die Betriebsschaltung kann dabei eine erfindungsgemäße Spannungsmessschaltung aufweisen, wie sie oben beschrieben worden ist.
  • Der durch die Leuchtdiodenstrecke fliessende Strom wird vorzugsweise mittels einer Spule und die Taktung eines durch eine Steuer- und/oder Regelschaltung angesteuerten Schalters eingestellt.
  • Die Messspannung kann als Rückführsignal mit einem Sollwert verglichen werden, um abhängig von einer etwaigen Differenz als Steuergrösse den Schalter zu takten. Sie dient als Überwachung, zum Beispiel als Erkennung von Fehlern oder für eine Abschaltung (z.B. Kurzschlussdetektion, Überlasterkennung, usw.). Sämtliche Auswertefunktionen, d.h. Regelung und Fehlerüberwachung und ggf. -abschaltung) können in der bspw. als IC ausgeführten Steuer-/Regelvorrichtung integriert sein.
  • Bei eingeschaltetem Schalter magnetisiert sich die Spule, die sich bei ausgeschaltetem Schalter entmagnetisiert, bspw. über die wenigstens eine Leuchtdiodestrecke. Die Steuer- und/oder Regelschaltung kann dabei die Zeitdauer zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters abhängig von der Spannung über der wenigstens einen Leuchtdiode und einer zeitlich konstanten Kenngrösse der Spule bestimmen.
  • Die Steuer- und/oder Regelschaltung kann außerdem die Spulen-Kenngrösse über die Anstiegssteilheit des Spulenstroms und durch Einbezug der Spulenspannung erfassen.
  • Darüber hinaus erfasst die Steuer- und/oder Regelschaltung in einer bevorzugten Ausführungsform den Strom durch die wenigstens eine Leuchtdiode nicht.
  • Die Steuer- und/oder Regelschaltung kann eine integrierte Schaltung sein.
  • Die Steuer- und/oder Regelschaltung kann den Schalter in Form von PWM-modulierten Signalen ansteuern.
  • Der Schaltregler kann bspw. ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteller, ein Flyback-Konverter etc. sein.
  • Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke ist vorzugsweise ein Kondensator geschaltet, insbesondere zur Glättung der Gleichspannung.
  • Die Erfindung betrifft auch ein LED-Modul, aufweisend wenigstens eine LED, die von der Betriebsschaltung versorgt ist.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Beleuchtungsvorrichtung, aufweisend ein LED-Modul mit wenigstens einer LED, die von der Betriebsschaltung versorgt ist.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Spannungsmessung für eine Leuchtdiodenstrecke mit mindestens einer Leuchtdiode, wobei der Leuchtdiode eine Gleichspannung zugeführt wird, und parallel zu der Leuchtdiodenstrecke die Primärseite eines Stromspiegels geschaltet ist, wobei auf der Sekundärseite des Stromspiegels an einem Messwiderstand eine zum Spannungsabfall über der Leuchtdiodenstrecke proportionale Messspannung abgegriffen wird.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
    • Fig.1
    zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen LED-Spannungsmessschaltung,
    Fig.2
    zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen LED-Spannungsmessschaltung,
    Fig. 3
    zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen LED-Spannungsmessschaltung,
    Fig. 4
    zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen LED-Spannungsmessschaltung, und
    Fig.5
    zeigt eine LED-Spannungsmessschaltung, wie sie aus dem Stand der Technik DE 102006034371 A1 bekannt ist und in der Beschreibungseinleitung erläutert ist.
  • Figuren 1 bis 4 zeigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen LED-Spannungsmessschaltung 1. Dabei ist die LED-Spannungsmessschaltung 1 derart ausgeführt, dass kein Messwiderstand (R20, R21) in Serie zu der LED-Strecke L erforderlich ist.
  • Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, wird gemäss der Erfindung ein, die LED-Spannung ULED wiedergebendes, Messsignal UMESS mittels eines Stromspiegels S ausgekoppelt.
  • Figuren 2 bis 4 zeigen Beispiele für mögliche Ausgestaltungen des Stromspiegels S, wobei indessen beliebige weitere Ausgestaltungen von Stromspiegeln, bspw. auch mit einer noch höheren Anzahl von Transistoren, Anwendung finden können.
  • In Fig. 2 ist der Stromspiegel mit drei Transistoren T1, T2, T3 ausgebildet, von denen zwei T2, T3 auf der Sekundärseite P2 des Stromspiegels angeordnet sind, wobei die Transistoren T1, T2, T3 als Bipolartransistoren ausgebildet sind.
  • In Fig. 3 ist der Stromspiegel S mit einem Transistor T1 auf der Primärseite P1 und einem Transistor T2 auf der Sekundärseite P2 aufgebaut, wobei die Transistoren T1, T2 als Bipolartransistoren ausgebildet sind.
  • In dem Beispiel von Fig. 4 schliesslich ist der Stromspiegel S mit einem Transistor T1 auf der Primärseite P1 und einem Transistor T2 auf der Sekundärseite P2 aufgebaut, wobei die Transistoren T1, T2 als MOSFETs ausgebildet sind. Natürlich kann ein Stromspiegel S auch mit drei MOSFETs aufgebaut werden.
  • Die erfindungsgemäße LED-Spannungsmessschaltung 1 findet Anwendung in einer Betriebsschaltung 2, die zum Betreiben einer Leuchtdiodenstrecke L ausgelegt ist. Es soll jedoch vorweg genommen werden, dass die erfindungsgemäße Spannungsmessschaltung nicht auf die Betriebsschaltung 2 beschränkt ist, sondern vielmehr in jeder Schaltung eingesetzt werden kann, in der eine Spannungsmessung vorgenommen werden soll. Insofern ist die Erfindung auch nicht auf den Bereich der LEDs beschränkt, sondern kann in einer Schaltung mit jeder beliebigen Last verwendet werden.
  • Der Betriebsschaltung 2 wird eine Eingangs-Gleichspannung Vin oder eine gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt.
  • Eine Schaltreglerschaltung SRS weist eine Serienschaltung zwischen einem Halbleiter-Leistungsschalter S1 (beispielsweise einem MOSFET) und einer Freilaufdiode D1 auf. Die Serienschaltung magnetisiert in eingeschaltetem Zustand des Schalters S1 eine Induktivität L1 mittels des durch den Schalter S1 fliessenden Stroms. Im ausgeschalteten Zustand des Schalters S1 entlädt sich die in der Spule L1 gespeicherte Energie in Form eines abfallenden Stroms i durch die Leuchtdiodenstrecke LED (die Spule L1 entmagnetisiert sich). Somit ergibt sich ein Stromverlauf, bei dem sich ansteigende Zyklen und abfallende Zyklen mit der Periodizität der Schalteransteuerung abwechseln. Für die Lichtleistung entscheidend ist dabei der zeitlich gemittelte Strom. Der dreieckförmige Strom durch die Leuchtdiodenstrecke kann dabei durch einen Filterkondensator C1 geglättet werden.
  • Es ist eine Steuer- und/oder Regelschaltung SR vorgesehen, die als Stellgrösse der Regelung der Leuchtdiodenleistung die Taktung des Schalters S1 beispielsweise in Form von PWM-modulierten Signalen vorgibt. Als Rückführsignal, auf das geregelt wird (und das bspw. mit einem Sollwert verglichen wird), wird zumindest der Strom gemessen, der durch die LED-Strecke L fliesst. Dieser LED-Strom kann dabei an einer beliebigen Stelle im LED-Strompfad gemessen werden.
  • Für den korrekten Betrieb der LEDs ist aber neben dem LED-Strom auch die Spannung über der LED-Strecke von Interesse. Die Spannung über der LED-Strecke wird mittels der beschriebenen Schaltung mit Stromspiegel gemessen.
  • Die Leuchtdiodenstrecke weist eine oder mehrere parallel, vorzugsweise jedoch in Serie geschaltete LEDs und / oder OLEDs auf. Dabei kann es sich bspw. um monochromatische LEDs, Farbstoff-konvertierte weiße LEDs und/oder um RGB-LED Module handeln. Bei letzteren ist es besonders vorteilhaft, wenn jede Leuchtfarbe in einer separaten LED-Strecke ("LED-Kanal") angeordnet ist und jede LED-Strecke über ein eigenes Rückführsignal, wie beispielsweise den in der LED-Strecke fliessenden Strom, geregelt wird.
  • Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke ist die Primärseite P1 eines Stromspiegels S geschaltet. Der Stromspiegel kann dabei auf der Primärseite wie auf der Sekundärseite jeweils einen Transistor T1, T2 und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand R1, R2 aufweisen. Bei den Transistoren handelt es in der Ausführungsform von Fig.4 um Feldeffekt-Transistoren (FETs), insbesondere um MOSFETs. Es kann sich bei dem Stromspiegel aber auch um jede andere Ausführungsform handeln, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Die eigentliche Messung der LED-Spannung findet durch die Sekundärseite P2 des Stromspiegels S statt. Aufgrund der Stromspiegelfunktion fließt der identische Strom auf der Sekundärseite wie auf der Primärseite des Stromspiegels S und somit durch einen sekundärseitigen Messwiderstand R2. Die Spannung Umess an diesem Widerstand R2 gibt somit die LED-Spannung Uled wieder. Der Widerstand R1 auf der Primärseite P1 dient der Dimensionierung der am Widerstand R2 abgegriffenen Messspannung Umess. Die gemessene Spannung Umess ist also proportional zu der Spannung Uled, wobei der Faktor zwischen beiden Spannungen durch die Größe der Widerstände R1 und R2 eingestellt werden kann.
  • Die Messung der LED-Spannung für eine Fehlerüberwachung wie z.B. Kurzschlussdetektion oder Überlasterkennung an der LED-Strecke oder auch im Ausgangskreis oder der Verkabelung genutzt werden. Zusätzlich kann die Messung der LED-Spannung für die Bestimmung der LED-Stromes oder der LED-Temperatur genutzt werden, es kann also eine indirekte Erfassung des LED-Stromes oder der LED-Temperatur erfolgen. Dabei kann mit Hilfe von Wertetabellen oder abgelegten Kennlinien bzw. Formeln mit Hilfe der gemessenen LED-Spannung auf den LED-Strom oder die LED-Temperatur geschlossen werden.
  • Ein Vorteil ist nunmehr, dass die Verluste, die beim Stand der Technik (siehe oben) aufgrund der Messschaltung für die Busspannung bzw. die LED Spannung auch im Ruhezustand auftreten, nun nicht mehr vorliegen, da die Busspannung nicht mehr gemessen werden muss, um die Spannung über der LED-Strecke zu ermitteln.
  • Im Standby-Betrieb (d.h. anliegende Versorgungsspannung, aber keine Lichtemission der LEDs) wird die Ladung, d.h. die Spannung, über den parallel zur LED geschalteten Kondensator C1 über den Widerstand R1 der Primärseite P1 des Stromspiegels S entladen. Somit geht die Spannung über der LED gegen Null. Auch im Standby-Zustand wird also kein Strom mehr durch den Widerstand R1 oder R2 des Stromspiegels fließen. Somit geht auch stationär die Verlustleistung im Standby-Betrieb gegen Null.
  • Da kathodenseitig nunmehr auch nicht mehr die Leuchtdiodenstrecke L über eine Messschaltung mit Masse verbunden ist, ist auch das Problem des ungewünschten Glimmens der LEDs verringert.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass wenn die LED aus der Schaltung entfernt wird, die Spannung über den Kondensator C1 durch den Widerstand R1 auf der Primärseite P1 des Stromspiegels entladen wird. Wenn dann die LED wieder eingesetzt wird, fällt nicht unmittelbar die Spannung des geladenen Kondensators C1 ab, sondern vielmehr wird erst beim Wiedereinschalten wieder eine Spannung über der LED anliegen. Beim oben beschriebenen Stand der Technik ist das Problem, dass beim Wiedereinsetzen das kathodenseitige Potential aufgrund des Messkanals auf Null gezogen wird, während anodenseitig die Versorgungsspannung von beispielsweise 400 Volt anliegt, somit behoben.
  • Wird ein sogenanntes 'hot-swapping' gemacht, was dem Herausnehmen und erneuten Einsetzen einer LED im laufenden Betrieb entspricht, ist das Risiko, dass die LED zerstört wird deutlich kleiner als beim Stand der Technik. Das ,hot-swapping' ist elektrisch gleichbedeutend mit einem Unterbrechungsfehler, d.h. dass die LED-Strecke unterbrochen wird und dann wieder Versorgungsspannung anliegt. Wie bereits oben beschrieben, wirkt die Spannungsmessschaltung diesem Risiko beim 'hot-swapping' entgegen, da die Spannung über den Kondensator C1 durch den Widerstand R1 auf der Primärseite P1 des Stromspiegels entladen wird.
  • Da die beiden Transistoren T1 und T2 des Stromspiegels identische elektrische Eigenschaften aufweisen sollten, sind die beiden Transistoren vorzugsweise in einem Bauteil integriert.
  • Somit wird Verfahren zur Spannungsmessung für eine Leuchtdiodenstrecke L mit mindestens einer Leuchtdiode LED ermöglicht, wobei der Leuchtdiode eine Gleichspannung zugeführt wird. Parallel zu der Leuchtdiodenstrecke L ist die Primärseite P1 eines Stromspiegels S geschaltet. Auf der Sekundärseite P2 des Stromspiegels S wird an einem Messwiderstand R2 eine zum Spannungsabfall ULED über der Leuchtdiodenstrecke L proportionale Messspannung UMESS abgegriffen.
  • Funktionell kann also durch die Stromspiegelmessung eine Messung eines DC-Stroms in einem Messzweig P2 erfolgen, der nicht in Serie zu der Leuchtdiodenstrecke geschaltet ist. Es findet auch keine Differenzmessung (Busspannung minus Kathodenspannung) mehr statt, sondern eine direkte Messung der Spannung über der LED-Strecke.
  • Es wird also eine Messung der Leuchtdiodenstrecken-Spannung mittels eines Messwiderstands vorgenommen, der nicht in Serie zu der Leuchtdiodenstrecke geschaltet ist. Es ist aber auch keine Messung des LED-Stromes mittels eines Messwiderstands, der in Serie zu der Leuchtdiodenstrecke geschaltet ist, durch die erfindungsgemäße Spannungsmessschaltung notwendig.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Spannungsmessschaltung
    2
    Betriebsschaltung
    Vin
    Eingangsgleichspannung
    SRS
    Schaltreglerschaltung
    S1
    Schalter
    D1
    Diode
    L1
    Induktivität
    S
    Stromspiegel
    P1
    Stromspiegel-Primärseite
    P2
    Stromspiegel-Sekundärseite
    R1
    Widerstand der Stromspiegel-Primärseite
    T1
    Transistor der Stromspiegel-Primärseite
    R2
    Widerstand der Stromspiegel-Sekundärseite
    T2
    Transistor der Stromspiegel- Sekundärseite
    T3
    Dritter Transistor des Stromspiegels
    C1
    Kondensator
    L
    Leuchtdiodenstrecke
    LED
    Leuchtdiode
    ULED
    Spannung über die Leuchtdiodenstrecke
    UMESS
    Messspannung
    UKATH
    Spannungspotential an der Kathodenseite der LED-Strecke L
    SR
    Steuer- und/oder Regelschaltung
    ST1
    erster Spannungsteiler
    ST2
    zweiter Spannungsteiler
    R10, R11
    Widerstände des ersten Spannungsteilers
    R20, R21
    Widerstände des zweiten Spannungsteilers
    VQ
    Versorgungsspannungs-Quelle
    M1, M2
    Messabgriffe an Mittenpunkten der Spannungsteiler ST1, ST2

Claims (13)

  1. Spannungsmessschaltung für eine Leuchtdiodenstrecke (L) mit mindestens einer Leuchtdiode (LED), der eine Gleichspannung zugeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass parallel zu der Leuchtdiodenstrecke (L) die Primärseite (P1) eines Stromspiegels (S) geschaltet ist und auf der Sekundärseite (P2) des Stromspiegels (S) an einem Messwiderstand (R2) eine zum Spannungsabfall (ULED) über der Leuchtdiodenstrecke (L) proportionale Messspannung (UMESS) abgegriffen wird.
  2. Spannungsmessschaltung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stromspiegel (S) mindestens zwei Transistoren (T1, T2), vorzugsweise drei Transistoren (T1, T2, T3) aufweist, von denen wenigstens einer auf der Primärseite (P1) und wenigstens einer auf der Sekundärseite (P2) des Stromspiegels (S) verschaltet ist.
  3. Spannungsmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass es sich bei den mindestens zwei Transistoren (T1, T2) um Bipolar-Transistoren oder Feldeffekt-Transistoren handelt.
  4. Spannungsmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens zwei Transistoren (T1, T2) identische elektrische Eigenschaften aufweisen und vorzugsweise als integiertes Bauteil ausgebildet sind.
  5. Spannungsmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Messwiderstand (R2) auf der Sekundärseite (P2) des Stromspiegels in Reihe zu dem sekundärseitigen Transistors geschaltet ist.
  6. Spannungsmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Widerstand (R1) auf der Primärseite (P1) des Stromspiegels (S) in Reihe zu dem primärseitigen Transistor (T1) geschaltet ist, der einer Dimensionierung der Messspannung (Umess) dient.
  7. Betriebsschaltung für wenigstens eine
    Leuchtdiodenstrecke (L) mit mindestens einer Leuchtdiode (LED), aufweisend eine Schaltreglerschaltung (SRS), der eine Gleichspannung (VIN) zugeführt wird und die einen im zeitlichen Mittel konstanten Strom für die wenigstens eine Leuchtdiodenstrecke (L) bereitstellt,
    weiterhin aufweisend eine Spannungsmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche..
  8. Betriebsschaltung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsschaltung eine Spannungsmessschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 6 aufweist.
  9. Betriebsschaltung nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der durch die Leuchtdiodenstrecke (L) fliessende Strom mittels einer Spule (L1) und einem durch eine Steuer- und/oder Regelschaltung (SR) getakteten Schalter (S1) eingestellt wird.
  10. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspannung (Umess) als Rückführsignal zur Überwachung, zur Erkennung eines Fehlers, zur Abschaltung oder zur Regelung der Taktung des Schalters (S1) verwendet ist.
  11. LED-Modul, aufweisend wenigstens eine Leuchtdiode (LED), die von einer Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 10 versorgt ist.
  12. Beleuchtungsvorrichtung, aufweisend ein LED-Modul mit wenigstens einer Leuchtdiode (LED), die von einer Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 10 versorgt ist.
  13. Verfahren zur Spannungsmessung für eine Leuchtdiodenstrecke (L) mit mindestens einer Leuchtdiode (LED), wobei der Leuchtdiode eine Gleichspannung zugeführt wird, und parallel zu der Leuchtdiodenstrecke (L) die Primärseite (P1) eines Stromspiegels (S) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Sekundärseite (P2) des Stromspiegels (S) an einem Messwiderstand (R2) eine zum Spannungsabfall (ULED) über der Leuchtdiodenstrecke (L) proportionale Messspannung (UMESS) abgegriffen wird.
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