EP2548412A1 - Led-beleuchtungssystem - Google Patents

Led-beleuchtungssystem

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Publication number
EP2548412A1
EP2548412A1 EP11710726A EP11710726A EP2548412A1 EP 2548412 A1 EP2548412 A1 EP 2548412A1 EP 11710726 A EP11710726 A EP 11710726A EP 11710726 A EP11710726 A EP 11710726A EP 2548412 A1 EP2548412 A1 EP 2548412A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
led
module
color
voltage
light
Prior art date
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Granted
Application number
EP11710726A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2548412B1 (de
Inventor
Michael Zimmermann
Eduardo Pereira
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tridonic AG
Original Assignee
Tridonic AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Tridonic AG filed Critical Tridonic AG
Publication of EP2548412A1 publication Critical patent/EP2548412A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2548412B1 publication Critical patent/EP2548412B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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]
    • H05B45/20—Controlling the colour of the light

Definitions

  • the present invention relates generally to the operation of LEDs, including inorganic LEDs as well as organic LEDs (OLEDs).
  • LEDs including inorganic LEDs as well as organic LEDs (OLEDs).
  • OLEDs organic LEDs
  • P M modulation to perform dimming so that in the ON periods of a PWM pulse train, said constant current control is performed. When dimming so then the duty cycle of the PWM signal is changed.
  • an actively clocked PFC circuit Power Factor Correction Circuit, power factor correction circuit
  • further requirements in the operation of LEDs are to be considered, for example, that usually a galvanic separation between the LED line and the supply voltage of the PFCs, typically an AC line voltage, is required.
  • the invention now makes several approaches, such as an LED route can be operated in a particularly advantageous manner.
  • a first aspect of the invention provides a method for operating a light source with an LED module, which has at least two LED channels (53, 53 ') each having an LED path of different emission colors,
  • the intensity of the LED lines is individually controlled
  • intensities for the LED paths are each normalized in such a way that the overall intensity of the light output remains constant during a change of the color locus within a controllable color range provided for the operation.
  • the normalization of the intensities of the LED paths can be carried out on the basis of a reference value which corresponds to the intensity of the color locus which has the lowest efficiency within the controllable color range provided for the operation.
  • the color location with the lowest efficiency can be determined on the basis of previously determined efficiencies for the individual LED routes.
  • the color location with the lowest efficiency can be determined experimentally as part of a scan.
  • the scan can be performed periodically and / or operationally.
  • the controllable color range provided for the operation may comprise at least part of the Planck's white light curve.
  • the controllable color range provided for the operation can substantially correspond to the Planck's white light curve.
  • the light source may comprise at least one monochromatic and at least one dye-converted LED, and may in particular comprise a monochromatic blue LED, a monochromatic red LED and a greenish-white dye-converted LED.
  • the dimming or setting of the intensities of the individual LED sections can be done by means of pulse width modulation.
  • the invention also relates to an arrangement for emitting light with a light source having an LED module, comprising
  • a control unit which is designed to individually control the intensity of the LED lines in order to achieve a light output with a color tone corresponding to a desired color location
  • intensities for the LED paths are respectively set or normalized by the control unit in such a way that when the color locus is changed within a controllable color range provided for the operation, the intensity of the total light output remains constant.
  • the normalization of the intensities of the LED paths can be carried out on the basis of a reference value which corresponds to the intensity of the color locus which has the lowest efficiency within the controllable color range provided for the operation.
  • the arrangement can be designed to independently determine the color location with the lowest efficiency.
  • the arrangement may further comprise a sensor for detecting the light output, wherein the control unit (E) may be configured to generate light corresponding to different color loci within the scope of a scan by differently driving the LED paths and based on the sensor obtained at the different color loci -Information to determine the color location with the lowest efficiency.
  • the control unit may be designed to perform the scan at regular intervals and / or depending on the operation.
  • the provided for the operation controllable color range lamb at least include a part of the Planck's white light curve.
  • the controllable color range provided for the operation can substantially correspond to the Planck's white light curve.
  • the light source may comprise at least one monochromatic and at least one dye-converted LED, and may in particular comprise a monochromatic blue LED, a monochromatic red LED and a greenish-white dye-converted LED.
  • the dimming or setting of the intensities of the individual LED paths can take place, for example, by means of pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the invention also relates to an integrated control circuit, in particular ASIC or microcontroller, which is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.
  • Fig. 1 shows the modular structure of a
  • FIG. 2 shows an embodiment of an isolated DC / DC converter, in the form of an inverter with consequential resonant circuit and transformer.
  • Fig. 3 shows schematically further control modes for the
  • Fig. 5 shows the generation according to the invention
  • Fig. 6a and 6b show the LED module with several
  • the modular circuit concept according to the invention has a first module 1, which is preferably supplied with the input voltage 9, in particular mains AC voltage. This input voltage 9 is supplied to a first sub-module A, which typically rectifies the as
  • Input voltage 9 is applied AC voltage, in which case the rectified AC voltage of an actively clocked PFC (Power Factor Correction) circuit of the sub-module A, if present, is supplied.
  • the output voltage of the first submodule A is a DC voltage, referred to below as an output V Bu s ⁇ , which is fed to a second submodule B of the first module 1.
  • the second sub-module B has essentially the function of a galvanic isolation (insulation) and can, for example, have as a galvanic separating element a transformer.
  • the submodule G is a control unit of the module 1, which may be implemented in particular as an integrated circuit, such as ASIC or microprocessor or hybrid thereof.
  • control unit G controls this control unit G active switching elements of the second sub-module B, which may be configured, for example in the form of a half-bridge (for example, a half-bridge driver and two switches in series, see below Fig. 2), one of the transformer 19 of the second sub-module B supplied AC voltage generated.
  • the control unit G may have programming inputs, whereby programming or calibration programming of the control unit G is possible. For this, the terminals of the control unit G can be led out to the board of the second sub-module B, to allow programming of this sub-module B and thus the control unit G even after delivery of the sub-module B.
  • the control unit G is connected to a memory 52.
  • the second submodule B of the first module 1 denotes a galvanic decoupling via which the control unit G of the module 1 communicates with the submodule D as an interface circuit.
  • Interface circuit D may comprise a data interface 11, which may be designed in particular for connecting an external analog or digital bus 10, for example in accordance with the DALI industry standard. Alternatively or additionally, however, it is also possible to transmit unidirectional or bidirectional signals at this data interface 11 or interface circuit D in accordance with other standards. Furthermore, it is alternatively or additionally possible to receive signals at this data interface 11 or interface circuit D which, on the basis of a data interface 11 or interface circuit D, themselves or externally
  • the essential functions of the first module 1 are thus the provision (at the output of the second sub-module B) of a DC voltage (by rectification of the
  • a second module 2 spatially separated from said first module 1 is a second module 2 as a circuit module intended.
  • This second module 2 essentially has the
  • lamp management s x Function of the so-called , lamp management s x , which means that this second module 2 on the one hand supplies the connected lamps (here the LED track 8 with one or more LEDs) with constant current and on the other hand feedback variables (schematically indicated by 13) from the range of the LED Route 8 receives.
  • the DC supply voltage 5 at the output of the second submodule B of the first module 1 is thus supplied to a further submodule C, as a controllable constant current source.
  • This further submodule C thus supplies the LED path with constant current via an output 7.
  • the second module 2 may include a plurality of converter stages (a plurality of further submodules C as constant current sources), wherein these converter stages (further submodules C as constant current sources) can each control separate (independent) LED paths 8.
  • the further submodule C can be used both as a clocked constant current source (that is, for example as
  • Buck converter also called buck converter or isolated flyback converter also called flyback converter
  • a linear regulator realized with transistors or integrated circuits
  • the second module 2 has its own control unit E, which in turn may be designed as a microcontroller, ASIC or hybrid thereof.
  • This control unit E of the second module 2 thus contains feedback variables 13 from the region of the LED path 8.
  • the control unit E activates the one or more further submodules C in the second module 2. This is the current controlled by the LED track 8, it can be detected and monitored for correct operation of the LEDs and error detection but also other feedback variables such as the LED voltage or temperature.
  • control unit E via a communication interface 6, which is designed in addition to the DC supply voltage 5, with the control unit G of the first module 1 are unidirectional or bidirectional in data communication.
  • the communication interface 6 can also be used to transmit the low-voltage supply (there is then both a data communication and an energy transfer).
  • the communication interface 6 can also be integrated into the DC supply voltage 5, for example, the polarity of the DC supply voltage 5 can be switched or a carrier signal to the DC supply voltage 5 are modulated.
  • the second module 2 here as a lamp management module, preferably housed in a common housing 12 with the actual LED module F.
  • the LED module F may have its own memory 4, for example in the form of an EPROM.
  • the reference numeral 3 denotes schematically that the control unit E of the second module 2 can access this memory 4 of the LED module F.
  • the PFC circuit is optional only.
  • the illustrated functions of the submodules A, B and C can also be integrated circuit-wise, so that, as long as these functions are basically present, they do not have to be reflected in a corresponding structure of the circuit topology.
  • the advantage of the modular construction according to FIG. 1 is, for example, that the first module 1 or the second module 2 can be produced by different manufacturers.
  • a plurality of second modules 2 in the sense of a master / slave operation can be connected to a first module 1.
  • the modular design also allows the respective sub-modules and in particular the second module 2 to be interchangeable while retaining the remaining components.
  • the second module 2 is housed in a common housing 12 with the actual LED module F, there is the advantage that this combination of the second module 2 and LED module F can be adjusted in itself, so that, for example, their radiation characteristics,
  • Light quantity, light color and / or light control can be parameterized and thus adjusted.
  • the first module 1 and also the user can thus have one or more matched systems, which can then be controlled at the same time and behave accordingly.
  • This internal balancing of the combination of the second module 2 and the LED module F can take place, for example, using one of the following methods: - Adjustment during production or during commissioning
  • the communication between the first module 1 and the second module 2 via the communication interface 6 is accordingly preferably standardized.
  • Communication interface 6 is thus also standardized, since it is independent of different to the first module 1 can be applied bus protocols or control signals. The communication over the internal
  • Communication interface 6 combined with the modular design of the system has the advantage that the operating data for the optimal feeding of the second module 2 can be transmitted from the second module 2.
  • the second module 2 (preferably starting from the control unit E) can transmit the required operating data via the internal communication interface 6 to the first module 1.
  • Examples of the feedback quantities 13 from the LED track 8 are the directly or indirectly measured LED current and / or the voltage across the LED track 8.
  • operating data for the LEDs of the LED track 8 can be stored, for example, at the manufacturer. These data in this memory 4 can thus be, for example, characteristic values, the permissible maximum values for current and / or voltage, temperature dependence of electrical or optical (spectra) parameters of the LEDs, etc. Also these operating data for the LEDs (for example data from the memory 4) can over the internal
  • Communication interface 6 are transmitted to the first module 1.
  • a first module 1 in the sense of a master can supply a plurality of second modules 2. This means that a single first module 1 more second modules 2 not only supplied with a DC supply voltage 5, but also communicates with these bidirectionally in the sense of an internal communication interface 6.
  • the control unit G in the first module 1 can control the second submodule B, which is preferably clocked.
  • the same control unit G or preferably also a further control unit can also regulate the operation of the PFC of the first submodule A, ie for example activate the switch of the PFC of the submodule A and for signals from the area of the PFC, such as the input voltage Current through an inductance of the PFC, the current through the switch of the PFCs, the output voltage of the PFCs, as shown schematically by arrows in Fig. 1.
  • the PFC can be, for example, a boost converter (boost converter), flyback converter (buck-boost converter, an isolated flyback converter or SEPIC converter).
  • boost converter boost converter
  • flyback converter buck-boost converter
  • isolated flyback converter SEPIC converter
  • the output voltage (bus voltage) V bus of the PFC of the first sub-module A is in a range of several hundred volts DC. Due to the transformer 19 in the second sub-module B, therefore, this DC voltage can be lowered, for example to a voltage in the range of 20 to 60 volts, preferably 40 to 50 volts DC.
  • the DC supply voltage 5 is after the output of the first module 1 in a lower level than the internal voltage prevailing in the first module 1 voltages, which meets the requirements for example, the isolation of the DC Supply voltage 5 to the second module 2 and to the second module 2 itself lower claims.
  • a second output voltage for example a DC low-voltage supply for the second module 2 can be generated in the first module 1 and provided to the second module 2.
  • An advantage of the modular construction with internal communication interface 6 as described above is that the second module 2 can be switched off while the first module 1 continues to be used for the
  • Communication interface 6 is responsive or possibly also via the communication interface 6 send messages.
  • the first module 1 can perform an emergency light detection (switching from AC to DC supply or rectified AC supply).
  • the control unit G for example as a microcontroller, of the first module 1 in this idle state can only be supplied with power via the external bus 10 if the idle state of the external bus 10 (for example in the case of DALI) is not equal to 0 volts. It is therefore possible to use an energy transmitted via the external bus 10 to supply the control circuit G (in particular as start-up energy for the control circuit G or a low-voltage supply circuit). Thus, the actual power supply of the first module 1 can be turned off in this idle state.
  • a wake-up signal is sent via the external bus 10, which provides a starting energy as a power for short-term supply for the control circuit G or a low-voltage supply circuit.
  • the first module 1 completely in a state of rest without energy consumption be offset.
  • the wake-up signal may also be a data transmission or a momentary connection of a voltage.
  • first module 1 central module
  • selectively selected ones of these several second modules 2 can be switched off. This also leads to a saving of electrical losses.
  • it can be provided that only one or a subset of the plurality of second modules 2 supplied by the first module 1 is operated to achieve the lower basic brightness for the emergency lighting operation.
  • the second module 2 (lamp management module) may also have an additional interface (not shown).
  • This additional interface can be designed, for example, wired or wireless.
  • data can be read out from the second module 2 via this interface, in particular for maintenance purposes, such as the replacement of a second module 2.
  • Supply voltage 5 power transmission
  • the additional interface is arranged on the second module 2 spatially separated from the communication interface 6.
  • the first module 1 a second sub-module B, which has the function of an insulating transducer.
  • This second sub-module B is supplied starting, for example, from the PFC of the first sub-module A with a DC voltage ( bus voltage) V bus .
  • This second sub-module B has a clocked insulating DC / DC converter as explained in detail below. This will now be explained with reference to Figure 2.
  • FIG. 2 shows that the output voltage of the module A (for example PFCs), namely the bus voltage V Bu3, is fed to an inverter 14, which can be designed, for example, as a half-bridge inverter with two switches S1, S2.
  • the control signals for the timing of the switches Sl, S2 can be generated by the control unit G of the first module 1.
  • a resonant circuit 15, here designed as a series resonant circuit, namely an LLC resonant circuit adjoins the midpoint 29 of the inverter 14.
  • a first inductance 16 a coupling capacitor 17, a transformer 19.
  • the resonant circuit 15 is followed by a transformer 19 with a primary winding 20 and a secondary winding 21.
  • the inductance 16 may be integrated in the transformer 19, as will be explained later.
  • the transformer 19 is shown as an equivalent circuit diagram.
  • the primary winding 20 has in reality an inductance 18 as an integrated leakage inductance and, in addition, a main inductance Lm which carries the magnetizing current.
  • the transformer 19 is followed by a rectifier 22, at the output of which the lowered DC supply voltage 5 for the lamp management module 2 is provided.
  • the transformer 19 thus provides the necessary galvanic decoupling (insulation with respect to the first module 1 supplied input voltage 9).
  • the rectifier 22 can be carried out as known per se with two or four diodes, but it can meanwhile also a so-called synchronous rectifier
  • the rectifier 22 can thus be designed both as an active rectifier (with actively connected elements such as MOSFET) or as a passive rectifier (with passively connected elements such as diodes). It can be a full-wave rectification or just one
  • Half-wave rectification done.
  • a storage capacitor 23 It can be present at the output and other filter elements such as one or more inductors and / or additional capacitors for smoothing and stabilizing the output voltage.
  • the inductance 16 does not have to be present as a separate component. Rather, the scattering of the primary winding 20 of a real transformer can take over this function.
  • the first inductance 16 is to be formed by the scattering of the primary winding 20 of the transformer 19, care is taken to ensure that there is no perfect coupling between the primary winding 20 and the secondary winding 21 of the transformer 19.
  • the necessary scattering effect can be achieved in a targeted manner, which can functionally achieve the first inductance 16. While this scattering effect should not be sufficient, an inductance 16 actually present as a separate component will also be provided.
  • the combination of the inverter 14 with the resonant circuit 15 and the following rectifier 22 thus forms an insulating by the transformer 19 DC / DC converter as an energy-transmitting converter.
  • Parallel resonant circuits The advantage of using a resonant circuit in such an energy-transmitting DC / DC converter in the exploitation of a resonance peak to allow at nominal load or high load on the secondary side as low-loss switching of the switches Sl, S2 of the inverter 14. This is usually done in the vicinity of the resonance frequency of the resonant circuit or in the vicinity of a harmonic of a resonance of the output circuit.
  • the output voltage (to the storage capacitor 23) of the transmitted converter is thus a function of the frequency of driving the switches Sl, S2 of the inverter 14, here as a half-bridge inverter.
  • the drive frequency of the switches S1, S2 of the inverter 14 will be away from the resonance frequency elevated. Meanwhile, as the driving frequency changes, the phase angle between the voltage and the AC current at the center point 29 of the inverter 14 also changes.
  • the phase angle between current and voltage at midpoint 29 is very low.
  • the phase angle is very large (see Figure 3c) and may for example be up to 50 °. In this state, therefore, currents continue to flow through the inverter 14, which lead to electrical losses without any appreciable power flowing into the LED track 8.
  • a combined control can be provided.
  • the combined control consists in that two control variables are used for the variable ⁇ output voltage of the energy-transferring isolated converter ⁇ , namely, in addition to the clocking of the at least one switch S1, S2 of the inverter 14, the change of the bus voltage V BU s of the inverter 14.
  • the change in the bus voltage V BU s can be achieved by appropriate control of the PFCs of the first submodule A.
  • the bus voltage V BU3 can be adjusted by appropriate control of the PFCs of the first submodule A.
  • the PFC of the first submodule A can change the operating mode either independently or through a corresponding activation, in particular by the control unit G.
  • the PFC of the first sub-module A can operate in either high-load operation in either bordering operation between bordering mode or borderline mode or continuous conduction mode, and low load or low-load operation Stand by mode in discontinuous conduction mode.
  • the PFC of the first sub-module A when operating a low load or in stand-by mode in so-called burst mode changes.
  • the supply voltage (bus voltage V Bu s) is kept the same, but after a number of AnSteuerimpulsen for the one or more switches of the PFC a longer break inserted before the next "Burst" (pulse) is applied as a drive signal for the switches of the PFC.
  • the pause between the pulse trains is much longer, that is, for example, at least twice the addition of the switch-on time of the switches of the PFC.
  • Another possibility is to extend the dead time (see FIGURE 3b) between the ON periods of the switches S1, S2 of the inverter 14 in the "frequency of the switch" control variable while the frequency remains the same, for example the frequency reduction of the power supply to a maximum permissible value Triggering frequency of the switches S1, S2 of the inverter 14.
  • the second control variable is then used to further reduce the power consumption, namely the extension of the dead time between the switch-on periods of the switches S1, S2.
  • Another option is to set the ratio of the switch-on time to the same frequency Off time of the switches Sl, S2 of the inverter 14 to change (ie the duty cycle).
  • the duty ratio is reduced as the load decreases. It is thus possible, for example, to increase the frequency reduction of the power supply to a maximum permissible drive frequency of the switches S1, S2 of the inverter 14. At this maximum permissible frequency (corresponding to the maximum permissible phase angle), the second control variable is then used to further reduce the power consumption, namely the change in the turn-on time duration of the switches S1, S2 (at the same frequency).
  • FIG. 3a Another possibility to introduce a further control variable is the introduction of a so-called burst mode (that is to say a pulse-pause operating mode or else pulse mode), see FIG. 3a.
  • the supply voltage bus voltage V BU s
  • V BU s bus voltage
  • the drive frequency is given a maximum permissible value
  • the frequency is no longer increased to reduce the load provision.
  • a longer pause is taken before the next "burst" (pulse) is applied as drive signal for the switches S1, S2
  • the pulse trains is much longer, that is, for example, at least twice the addition of the switch-on of the switches Sl, S2.
  • Storage capacitor 23 then from until it reaches the lower limit of the predetermined ripple corridor. Upon reaching the lower limit, the next pulse train is applied, so that this rise and fall of the voltage (ripple) on the storage capacitor 23 will repeat cyclically. So there is a hysteretic regulation.
  • the burst packets ie the period in which is temporarily clocked
  • the bursts may also be generated at a variable repetition rate and / or duration of the packets.
  • the adaptive adjustment of the operating mode (control variable) of the DC-DC converter is dependent on the load on the secondary side, ie the load supplied by the voltage on the storage capacitor 23.
  • a signal reproducing the load can be fed back to the drive circuit (IC in the control circuit G in FIG. 1), or an externally supplied dimming signal can be used.
  • the power consumption of the load can on the secondary side (in terms of Transformers 19), but also on the primary side of the transformer 19 are measured.
  • the voltage drop across a measuring resistor 24 in series with the switches S1, S2 or at least in series with one of the switches S1, S2 of the inverter 14 may be used.
  • the actual power consumption then essentially constitutes a product of the supply voltage ( bus voltage V bus ) (measured or at least kept constant by the PFC) with this current measured by the inverter 14 via the voltage drop across the measuring resistor 24.
  • a primary-side detection was given for a signal representing the power consumption of the load.
  • secondary-side feedback signals such as the current through and / or the voltage across the LED track 8, etc., can be used as a feedback signal, which feedback signal represents the power consumption of the load.
  • a preferred sequence of the adaptive combined control is to carry out the reduction for the load by continuously increasing the drive frequency of the switches S1, S2 of the inverter 14 until a fixed maximum frequency is reached. When this maximum frequency is reached, but the power supplied to the load is to be further reduced, the drive circuit will then adaptively select one of the other modes listed above. For example, when reaching the allowed
  • the bus voltage V bus is lowered, then the maximum frequency of the control of the Switches Sl, S2 are maintained, or even if this can be overcompensated by lowering the bus voltage V bus or the other selected control variable, the drive frequency even be lowered back to a lower setpoint range.
  • a clocked DC-DC converter as a sub-module B, wherein the adaptivity relates to the adaptation of the control variables depending on the load of the secondary side of the DC-DC converter.
  • the sub-module B can also be formed by an inverter with a switch, for example as a Class-E converter or quasi-resonant flyback converter.
  • a second module 2 with a further converter stage can be connected to the storage capacitor 23, wherein the second one Module 2 (lamp management module) may have a control unit E, eg as an integrated circuit.
  • the further submodule C can be embodied both as a clocked constant current source (that is, for example, as a buck converter, ie Buck converter) or as a linear regulator (realized with transistors or integrated circuits). But it can also be directly connected to the output of the second sub-module B LEDs.
  • a clocked constant current source that is, for example, as a buck converter, ie Buck converter
  • a linear regulator realized with transistors or integrated circuits
  • External dimming commands can, as shown in FIG. 1, be supplied to the control unit G of the first module 1, but also to the control unit E of the second module 2.
  • the control unit E of the second module 2 can transmit the dimming information to the control unit G of the first module 1, so that no measurement signal must be present for the power consumption, but rather from one of the control unit G for the DC-DC converter in the second module B present dimming information can be used.
  • the adaptive adjustment of the second submodule B can, however, also take place on the basis of a dimming command supplied externally or else due to feedback by the second module 2.
  • the control of the switches Sl, S2 of the inverter 14 can be done via the control unit G via a driver stage.
  • a driver stage Preferably, at least the driver stage for the high-potential switch of the inverter is designed for driving at a high voltage potential.
  • this driver stage is a level offset stage, a driver stage with a transformer or a driver stage with air coil. This driver stage can also be integrated in the control unit G.
  • the control unit G may further comprise means for avoiding errors in the operation of the inverter. For example, over-current shut-offs or current limits for the current may be present through at least one switch.
  • the dead time for driving the inverter may be adjustable (i.e., the time between the opening of one switch (eg, Sl) and the closing of the second switch (S2)). Preferably, this dead time is adaptively adjustable, for example, depending on the midpoint voltage at the inverter 14 or the current or the voltage across a switch of the inverter 14th
  • the control unit G can also monitor the bus voltage V Bus , in particular also the ripple of the bus voltage V Bu s (ie the fluctuations within a certain time). Depending on the evaluation of the ripple of the bus voltage V Bus , the control unit G can influence the control of the inverter 14. In particular, it can adapt the frequency of the inverter 14 to the evaluation of the ripple of the bus voltage V Bus in order to reduce the ripple at the output of the inverter 14. Preferably, the frequency of the inverter is increased with increasing bus voltage V bus , and lowered with decreasing bus voltage V bus . In this way it can be achieved that this ripple on the bus voltage V bus is less continued to the output of the inverter 14.
  • Data communication between the first module 1 and the second module 2 (lamp management module):
  • the communication interface 6 (internal bus) between the first module 1 and one or more second modules 2, 2 will now be explained as lamp management modules.
  • the first module 1 as a central unit or Master be designated.
  • the second modules 2, 2 ' may be referred to as slaves.
  • a standardized communication is provided for the communication interface 6, which is provided in addition to the DC supply voltage 5.
  • standardized is meant that the protocol of the communication interface 6 is independent of the external communication protocol via the data interface 11 of the first module 1.
  • the communication via the communication interface 6 is bidirectional and can be done, for example, according to the SPI protocol (Serial Peripheral Interface Bus).
  • SPI protocol Serial Peripheral Interface Bus
  • Communication interface 6 (internal bus) takes place preferably electrically isolated, for example using optocouplers or transformers.
  • a fundamental function of the communication interface 6 may be the transmission of dimming commands from the first module 1 to the second modules 2, which have been received via the external bus 10, for example.
  • new control information or commands for the second modules 2 can also be derived from the dimming commands received via the external bus 10.
  • Data communication via the internal bus (communication interface 6) is that data stored in one of the second modules 2, 2 'can be transmitted via the internal bus (communication interface 6) to the control unit G of the first module 1.
  • This is advantageous in that the data storage in the second modules 2, 2 'is closer to the LED track 8, so that there is a higher heating, which leads to a possibly irreproducible loss of data storage in the field of lamp management modules ( second modules 2, 2 ') can follow.
  • these data can then be the first module 1 in the sense of a backup again stored. Examples of this data transmitted via the communication interface 6 are operating data for the LED route 8, such as temperatures, operating times, electrical parameters, etc.
  • the data After the data has been transferred from one of the lamp management modules (second modules 2, 2 ', 2 n ') to the first module 1, they can, of course, be further processed and also read out via the external bus 10 connected to the data interface 11.
  • the external bus 10 via the external bus 10, a further analysis of the operating data, for example a failure analysis, an aging compensation depending on the transmitted operating time duration of the LED route 8, etc., take place.
  • the standardized approach for the internal bus (communication interface 6) also has the advantage that lamp management modules (second modules 2, 2 ') can be exchanged in a simple manner.
  • the data stored in a lamp management module (second modules 2, 2 ') to be exchanged can be stored in the first module 1 already described above after transmission via the communication interface 6. If then the lamp management module is replaced, the stored in the first module 1 operating data can be transferred back to the newly installed lamp management module so that it is then configured identically to the replaced lamp management module.
  • Such operating data are color coordinates, color coordinates or other parameters influencing the spectrum of the LED route 8.
  • Over the communication interface 6 can also load changes or special operating conditions or Comparable events are transmitted from a second module 2, 2 'via the communication interface 6 to the first module 1. It can be one
  • Vorabsignalmaschine of expected load changes or operating state changes take place, so that the control unit G in the first module 1, the control of the PFCs in the first sub-module A and / or the control of the second sub-module B adaptively adaptively.
  • the control unit G of the first module 1 parameters for the inverter 14 shown in Figure 2 and / or controller characteristics for controlling the PFCs in the first Adapt submodule A.
  • the first module 1 receives dimming commands via the external bus 10 and the data interface 11 or the interface circuit D, which indicate a load change of the LED route 8, such information or a signal representing the operating state change can be transmitted via the bus or the communication interface 6 are transmitted to the second modules 2, 2 ', so that the control unit E provided in the second modules 2, 2' can also adapt control parameters, for example for the constant current source (further submodule C) in accordance with the expected load change.
  • the master / slave system shown in Figure 4 also has advantages in terms of reducing electrical Losses, since a kind of standby operation can be provided in which one, several, or even all of the second module 2, 2 'connected to a first module 1 are switched off, while at least the control unit G of the first module 1 continues to be connected externally Bus 10 can monitor via the data interface 11 and the interface circuit D.
  • the master / slave system illustrated in FIG. 4 can preferably be addressed only via the bus 10 connected to the data interface 11 or the interface circuit D of the first module 1.
  • it can be an internal hierarchical distribution, possibly including addressing via the internal bus
  • an addressed communication can take place towards the second modules 2, 2 '.
  • a broadcast mode may also be provided, i. an undressed data transmission from the first module 1 to all connected second modules 2, 2 '.
  • a command transmitted by the first module 1 via the internal bus (communication interface 6) is received and evaluated by all second modules 2, 2 '.
  • the communication interface 6 can also be used to transmit the low-voltage supply (there is then both a data communication and an energy transfer). For example, a so-called active low data transmission can be used, wherein at rest, a level of a few volts, for example 12V, is applied. In the case of a coupling, for example via transformers, energy could nevertheless also be transmitted even if the communication interface 6 is electrically isolated.
  • a low-voltage supply for example by a second module 2 (lamp management module) active coolant 40, such as a fan, etc. can be supplied.
  • active coolant 40 is thus not supplied directly from the first module 1, but preferably individually via each connected lamp management module 2 with electrical power.
  • FIG. 5 again shows how the bus voltage V BU sr is generated, for example, by the PFC module of the first module 1, to an inverter.
  • the inverter has only one switch Sl in contrast to the inverter 14 as a half-bridge inverter of FIG.
  • the primary winding 20 of the transformer 19 is shown following the inverter with the switch Sl.
  • a rectifier 22 is supplied, in which the output voltage of the rectifier 22 directly or indirectly the LED track 8 is supplied.
  • the primary and secondary windings 20, 21 represent the already explained above path to the electrical power supply (DC supply voltage 5) of the LED route of the LED module F.
  • the inverter according to FIG. 5 may be a converter having one or more switches, such as a half-bridge inverter (see FIG. 2, for example) or an isolated flyback converter.
  • Secondary winding 30, which is thus also magnetically coupled to the primary winding 20.
  • a rectifier circuit having a diode 31 and a capacitor 32
  • a secondary-side DC low-voltage power supply V C cs is generated by appropriately selecting the winding ratios of the windings 20, 30. Also shown in the figure, this secondary-side DC low-voltage power supply V C cs is also supplied to the second module 2.
  • the second module 2 can then use this low-voltage power supply in different ways, namely:
  • a still further (and thus third) secondary winding 33 is magnetically coupled to the primary winding 20 of the transformer 19. This secondary winding 33 feeds a rectifier with a diode 42 and a capacitor 43, serves to generate a primary-side
  • V CCP Low-voltage power supply V CCP - Under primary side is to be understood that this low-voltage power supply V CCP is used in the first module 1 (ie on the network side, ie before a potential separation), for example as
  • the power transfer across the DC power supply 5 supply to the LED module F may be 48 volts DC
  • the voltage levels of the low voltage power supplies V ccs and V CCP are significantly lower, for example, in the range of 2 to 12 volts DC.
  • Power supplies are supplied from the first module 1 to each connected second module 2.
  • the sensor 41 which is functionally associated with the second module 2, may be a brightness sensor, for example a photodiode with optional evaluation logic.
  • the senor 41 which is functionally associated with the second module 2, can also be a temperature sensor whose output signal is, for example, for determining the temperature of the LED junction of the LEDs of the LED module F can be used.
  • this sensor 41 can also be used as a temperature sensor for regulating the operation of the active cooling, for example of the coolant 40 (preferably as a fan).
  • a temperature determination of the temperature of the LED junction by evaluating the characteristic and measuring electrical parameters of the LED route of the LED module F done.
  • an inverter with one or more switches S1, S2 may be present.
  • an inverter 14 shown in Figure 2 as a half-bridge inverter are to call the flyback converter, a SEPIC or a forward converter. In any case, there is an isolated converter.
  • a starting resistor Rl can be supplied in a manner known per se, which supplies the control unit G with energy until the primary-side low-voltage supply V C CP is generated as expected since the generation of the primary side and also the secondary side
  • Low voltage power supplies V CCP and V ccs one clock of the second submodule B (DC / DC converter). If the actual low-voltage power supply then started from the isolated converter (second sub-module B), the ohmic starting resistor Rl can be switched off again with the switch S3, so as to avoid electrical losses via the starting resistor Rl in the regular operation of the circuit.
  • the low voltage power supplies VCCS A VQCP are obtained by means of a full bridge rectifier. But it can also be used only a single diode for rectification.
  • the secondary DC low-voltage power supply V ccs for the second module 2 can be supplied to a coolant driver 50, for example a DC / DC converter or else a linear regulator, for voltage stabilization, as shown in FIG. 5, in which case the stabilized output voltage of this DC / DC converter Converter or linear regulator 50, the control unit E of the second module 2 feeds.
  • a coolant driver 50 for example a DC / DC converter or else a linear regulator, for voltage stabilization, as shown in FIG. 5, in which case the stabilized output voltage of this DC / DC converter Converter or linear regulator 50, the control unit E of the second module 2 feeds.
  • the LED module F can be provided in a memory 4 assigned to it, for example with an EPROM, FLASH or OTP.
  • the control unit E for example an integrated circuit or a microcontroller of the second module 2 access the memory 4 of the LED module F, so as to selectively read out, for example, its memory contents.
  • the data read out from this memory 4 can then also be sent, for example, from the control unit E of the second module 2 to the first module 1 via the communication interface 6 (internal bus).
  • the data in the memory 4 may be, for example, the runtime, manufacturing data, error logging, maximum value, minimum values (eg for current and voltage) and / or the temperature.
  • control unit E of the second module 2 read this data and store it in a memory associated with it in the sense of a backup.
  • the control unit E of the second module 2 can refresh the memory 4 of the LED module F periodically or depending on the operating state or event.
  • the LED module F itself has no memory.
  • the corresponding data, for example the permissible forward current for the LEDs of the LED track 8 can in this case be written in the memory 51 assigned to the control unit E of the second module 2. This can be done during the production of the second module 2, for example.
  • the LED module F is provided with an identification tag, such as the operating data represents or at least represents an identification for the LED module F.
  • the identification tag is then read out by the control unit E of the second module 2 and stored, for example, in a memory assigned to the control unit E of the second module 2. This thus only once read data content of the identification tag can then be used for the further operation of the LED module F.
  • the identification tag can only be a pure identification.
  • the lamp management module (second module 2) would determine the identification data and then determine operating data independent of the LED module F, for example also a database content accessible via the external bus 10.
  • the approach has the advantage that thus the cost of the additional memory 4, for example, an Eprom of the LED module F can be saved.
  • the possibility of reading out the memory 4 of the LED module F by the control unit E has the advantage that a very different LED modules F can be combined with a lamp management module (second module 2), the required operating data being from the LED Module F can be read and the lamp management module (second module 2) can thus adapt flexibly to the connected LED module F.
  • Light power calibration
  • the LED module F has two, three or even more independently controllable channels 53, 53 ', 53 ".
  • Each channel 53, 53 ', 53' ' may have an LED track 8, 8', 8 '' with one or more LEDs.
  • the LEDs of an LED track 8, 8 ', 8' ' are almost identical in terms of their spectrum.
  • the goal is that the different LED channels 53, 53 ', 53' 'of the LED module F in the color space (eg CIE standard color chart) span a space within which the desired controllable color coordinates lie.
  • the color space eg CIE standard color chart
  • an embodiment of the two or more LED channels 53, 53 ', 53 "of the LED module F is preferred such that the encompassed space comprises at least large areas of the Planck's white light curve.
  • An exemplary embodiment could therefore be: a first channel with one or more monochromatic blue LEDs,
  • a third channel with one or more dye-converted LEDs, preferably in the green-white spectrum.
  • each color location (coordinate) can be controlled within the triangle formed thereby.
  • the example above spans a triangle in color space that covers at least large areas of Planck's white light curve.
  • substantially every point of the Planck's white light curve can be driven, i. it can - as a result of a mixture of the light of the multiple LED channels - white light with different color temperature are emitted .
  • the different LED channels in order to control the different color loci, in particular on the Planck's white light curve, the different LED channels must be driven with different intensity, wherein the intensity can be achieved, for example, by amplitude modulation (current through the LEDs) and / or PWM modulation.
  • the light intensity of the respective LED is crucial, which is then recalculated into a electrical control variable with known efficiency of the LED.
  • the total light output should now remain constant even when departing from different color loci, in particular on the Planck's white light curve.
  • the calibration factor can be calculated based on the known efficiencies of the LEDs used.
  • the total light output when departing different color locations in particular in the manner of a scan of Planck's white light curve with simultaneous Measurement of total light output can be measured.
  • a measurement thus determines, on the one hand, the minimum total light output within the color loci to be removed and the dependence of the total light output on the color locus.
  • the calibration factor for reducing the intensities of the individual LED paths in terms of PWM dimming can be performed.
  • the calibration is generated by a reduction in the duty cycle of a PWM drive.
  • this can also be done by adjusting the amplitude (in the sense of amplitude dimming).
  • the calibration can be done on an adjustment of the amplitude.
  • the said intensity scan can be carried out repeatedly, since the different LEDs with regard to their efficiency (intensity per stream) have different aging phenomena that must be compensated and can lead to different efficiencies.
  • a dye-converted LED will have a higher degree of aging than monochromatic LEDs.
  • said intensity scan can also be used for monitoring the aging when the operating data of the LED are known (for example stored in the memory 4 of the LED module F).
  • aging parameters can already be determined by the manufacturer and, for example, stored in the memory 4, which is assigned to the LED module F.
  • Coolant 41 Actuators or sensors
  • VCCP primary-side low-voltage supply

Landscapes

  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtquelle auf LED-Basis (F), welche zumindest zwei LEDs (8) unterschiedlicher Emissionsfarben aufweist, wobei zum Erzielen einer Lichtabgabe mit einem Farbton entsprechend einem gewünschten Farbort die LEDs (8) in ihrer Intensität individuell angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitäten für die LEDs (8) jeweils derart normiert werden, dass bei einem Wechsel des Farborts innerhalb eines für den Betrieb vorgesehenen ansteuerbaren Farbbereichs die Gesamtintensität der Lichtabgabe konstant bleibt.

Description

LED-Beleuchtungssystem:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf den Betrieb von LEDs, wobei darunter anorganische LEDs wie auch organische LEDs (OLEDs) zu verstehen sind. Grundsätzlich ist es bereits bekannt, eine LED-Strecke, die eine oder mehrere in Serie geschaltete LEDs aufweisen kann, ausgehend von einer Konstantstromquelle mit elektrischer Leistung zu versorgen. Es ist ebenfalls bekannt, zur Ausführung eines Dimmens eine P M-Modulation zu verwenden, so dass in den Einschalt Zeitdauern eines PWM-Impulszugs die genannte Konstantstromregelung durchgeführt wird. Beim Dimmen wird also dann das Tastverhältnis des PWM-Signals verändert. Zur Bereitstellung der Versorgungsspannung der Konstantstromquelle kann beispielsweise eine aktiv getaktete PFC-Schaltung (Power Factor Correction Circuit, Leistungsfaktorkorrekturschaltung) verwendet werden. Schließlich sind auch noch weitere Anforderungen beim Betrieb von LEDs zu beachten, beispielsweise dass üblicherweise eine galvanische Trennung zwischen der LED- Strecke und der Versorgungspannung des PFCs, typischerweise eine Netzwechselspannung, gefordert wird.
Aus dem obigen ergibt sich, dass zu einem ordnungsgemäßen und vorteilhaften Betrieb einer LED-Strecke funktional mehrere Schaltungsblöcke vorliegen müssen (Gleichrichter, PFC, galvanische Trennung, Konstantstromquelle etc.)- Dies führt gegebenenfalls zu relativ komplexen Schaltungen.
Die Erfindung macht nunmehr mehrere Ansätze, wie eine LED- Strecke in besonders vorteilhafter Weise betrieben werden kann .
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Ein erster Aspekt der Erfindung sieht vor ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtquelle mit einem LED-Modul, welche zumindest zwei LED-Kanäle (53, 53') mit jeweils einer LED-Strecke unterschiedlicher Emissionsfarben aufweist ,
wobei zum Erzielen einer Lichtabgabe mit einem Farbton entsprechend einem gewünschten Farbort die LED-Strecken in ihrer Intensität individuell angesteuert werden,
wobei die Intensitäten für die LED-Strecken jeweils derart normiert werden, dass bei einem Wechsel des Farborts innerhalb eines für den Betrieb vorgesehenen ansteuerbaren Farbbereichs die GesamtIntensität der Lichtabgabe konstant bleibt.
Die Normierung der Intensitäten der LED-Strecken kann auf Basis eines Referenzwerts erfolgen, welcher der Intensität desjenigen Farborts entspricht, der innerhalb des für den Betrieb vorgesehenen ansteuerbaren Farbbereichs den geringsten Wirkungsgrad aufweist. Der Farbort mit dem geringsten Wirkungsgrad kann auf Basis von zuvor bestimmten Wirkungsgraden für die einzelnen LED- Strecken ermittelt werden. Der Farbort mit dem geringsten Wirkungsgrad kann experimentell im Rahmen eines Scans ermittelt werden.
Der Scan kann in regelmäßigen Abständen und/oder betriebsabhängig durchgeführt werden.
Der für den Betrieb vorgesehene ansteuerbare Farbbereich kann zumindest einen Teil der Planckschen Weißlichtkurve umfassen . Der für den Betrieb vorgesehene ansteuerbare Farbbereich kann im Wesentlichen der Planckschen Weißlichtkurve entsprechen .
Die Lichtquelle kann wenigstens eine monochromatische und wenigstens eine farbstoffkonvertierte LED aufweisen, und kann insbesondere eine monochromatische blaue LED, eine monochromatische rote LED und eine grünlich-weiße farbstoffkonvertierte LED aufweisen. Das Dimmen bzw. Einstellen der Intensitäten der einzelnen LED-Strecken kann mittels Pulsweitenmodulation erfolgen.
Die Erfinding bezieht sich auch auf eine Anordnung zur Lichtabgabe mit einer Lichtquelle mit einem LED-Modul, aufweisend
• zumindest zwei LED-Kanäle mit jeweils eine LED- Strecke unterschiedlicher Emissionsfarben, sowie • eine Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, zum Erzielen einer Lichtabgabe mit einem Farbton entsprechend einem gewünschten Farbort die LED-Strecken in ihrer Intensität individuell anzusteuern,
wobei die Intensitäten für die LED-Strecken durch die Steuereinheit jeweils derart eingestellt bzw. normiert werden, dass bei einem Wechsel des Farborts innerhalb eines für den Betrieb vorgesehenen ansteuerbaren Farbbereichs die Intensität der Gesamtlichtabgabe konstant bleibt.
Die Normierung der Intensitäten der LED-Strecken kann auf Basis eines Referenzwerts erfolgen, welcher der Intensität desjenigen Farborts entspricht, der innerhalb des für den Betrieb vorgesehenen ansteuerbaren Farbbereichs den geringsten Wirkungsgrad aufweist.
Die Anordnung kann dazu ausgebildet sein, den Farbort mit dem geringsten Wirkungsgrad selbständig zu ermitteln.
Die Anordnung kann ferner einen Sensor zum Erfassen der Lichtabgabe aufweisen, wobei die Steuereinheit (E) dazu ausgebildet sein kann, im Rahmen eines Scans durch unterschiedliches Ansteuern der LED-Strecken Licht entsprechend unterschiedlicher Farborte zu generieren und auf Basis der bei den unterschiedlichen Farborten erhaltenen Sensor-Informationen den Farbort mit dem geringsten Wirkungsgrad zu ermitteln. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, den Scan in regelmäßigen Abständen und/oder betriebsabhängig durchzuführen . Der für den Betrieb vorgesehene ansteuerbare Farbbereich lamm zumindest einen Teil der Planckschen Weißlichtkurve umfassen . Der für den Betrieb vorgesehene ansteuerbare Farbbereich kann im Wesentlichen der Planckschen Weißlichtkurve entsprechen .
Die Lichtquelle kann wenigstens eine monochromatische und wenigstens eine farbstoffkonvertierte LED aufweisen, und kann insbesondere eine monochromatische blaue LED, eine monochromatische rote LED und eine grünlich-weiße farbstoffkonvertierte LED aufweisen. Das Dimmen bzw. Einstellen der Intensitäten der einzelnen LED-Strecken kann bspw. mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erfolge .
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine integrierte Steuerschaltung, insbesondere ASIC oder Mikrokontroller, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ersichtlich werden.
Fig. 1 zeigt den modularen Aufbau eines
erfindungsgemäßen modularen LED-
Beleuchtungssystems . Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen isolierten DC/DC-Wandler, in Form eines Wechselrichters mit folgerndem Resonanzkreis und Transformator.
Fig. 3 schematisch weitere Steuermodi für den
DC/DC-Wandler von Figur 2.
Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Kommunikation
zwischen einer Mastereinheit und mehreren
Slave-Einheiten des modularen LED-
Beleuchtungssystems .
Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Erzeugung einer
DC-NiedervoltSpannung.
Fig. 6a und 6b zeigen das LED-Modul mit mehreren
voneinander unabhängigen steuerbaren Kanälen.
Allgemeiner Aufbau des modularen Schaltungskonzepts :
Es soll nunmehr der allgemeine Aufbau des modularen erfindungsgemäßen Schaltungskonzepts für eine LED-basierte Beleuchtung, beispielsweise für ein sogenanntes Downlight, (in die Decke eingelassener Strahler) erläutert werden. Es können sowohl anorganische LEDs und / oder organische LEDS (OLED) eingesetzt werden. Wie in Figur 1 ersichtlich, weist das erfindungsgemäße modulare Schaltungskonzept ein erstes Modul 1 auf, das vorzugsweise mit der Eingangsspannung 9, insbesondere Netz-Wechselspannung, versorgt ist. Diese Eingangsspannung 9 wird einem ersten Untermodul A zugeführt, das typischerweise eine Gleichrichtung der als
Eingangsspannung 9 zugeführten Wechselspannung ausführt, wobei dann die gleichgerichtete Wechselspannung einer aktiv getakteten PFC (Power Factor Correction) -Schaltung des Untermoduls A, falls vorhanden, zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des ersten Untermoduls A ist eine DC- Spannung, im Folgenden Ausspannung VBus λ genannt, die einem zweiten Untermodul B des ersten Moduls 1 zugeführt wird. Das zweite Untermodul B weist im Wesentlichen die Funktion einer galvanischen Trennung (Isolierung) auf und kann dazu beispielsweise als galvanisches Trennelement einen Transformator aufweisen. Mit dem Untermodul G ist eine Steuereinheit des Moduls 1 bezeichnet, die insbesondere als integrierte Schaltung, wie beispielsweise ASIC oder Mikroprozessor bzw. Hybrid davon implementiert sein kann. Wie schematisch in Figur 1 gezeigt, steuert diese Steuereinheit G aktive Schaltelemente des zweiten Untermoduls B an, die beispielsweise in Form einer Halbbrücke (beispielsweise eines Halbbrückentreibers und zweier Schalter in Serie, siehe im Folgenden Fig. 2) ausgestaltet sein können, der eine den Transformator 19 des zweiten Untermoduls B zugeführte Wechselspannung erzeugt. Die Steuereinheit G kann über Programmiereingänge verfügen, wodurch eine Programmierung oder Kalibrierungsprogrammierung der Steuereinheit G möglich ist. Dafür können die Anschlüsse der Steuereinheit G auf die Platine des zweiten Untermoduls B herausgeführt werden, um eine Programmierung dieses Untermoduls B und somit der Steuereinheit G auch nach Auslieferung des Untermoduls B zu ermöglichen. Die Steuereinheit G ist mit einem Speicher 52 verbunden.
Mit dem zweiten Untermodul B des ersten Moduls 1 ist eine galvanische Entkopplung bezeichnet, über die die Steuereinheit G des Moduls 1 mit dem Untermodul D als Schnittstellenschaltung kommuniziert. Diese
Schnittstellenschaltung D kann eine Datenschnittstelle 11 aufweisen, die insbesondere zur Anbindung eines externen analogen oder digitalen Busses 10, beispielsweise gemäß dem DALI-Industriestandard, ausgebildet sein kann. Alternativ oder zusätzlich können aber auch unidirektionale oder bidirektionale Signale an dieser Datenschnittstelle 11 bzw. Schnittstellenschaltung D gemäß anderen Standards übertragen werden. Weiterhin können an dieser Datenschnittstelle 11 bzw. Schnittstellenschaltung D alternativ oder zusätzlich Signale empfangen werden, die ausgehend von einem durch die Datenschnittstelle 11 bzw. Schnittstellenschaltung D selbst oder extern
(beispielsweise ebenfalls über die Eingangsspannung 9) versorgten manuell zu betätigenden Taster oder Schalter erzeugt werden.
Die wesentlichen Funktionen des ersten Moduls 1 sind somit die Bereitstellung (am Ausgang des zweiten Untermoduls B) einer DC-Spannung (durch Gleichrichtung der
Ausgangsspannung des Transformators 19 des zweiten Untermoduls B mit dem Gleichrichter 22) ausgehend von einer zugeführten Eingangsspannung 9 sowie die externe Kommunikation über die Datenschnittstelle 11 bzw. Schnittstellenschaltung D.
Vorzugsweise räumlich getrennt von dem genannten ersten Modul 1 ist ein zweites Modul 2 als Schaltungsmodul vorgesehen. Dieses zweite Modul 2 hat im Wesentlichen die
Funktion des sogenannten , Lampenmanagement s x , was bedeutet, dass dieses zweite Modul 2 einerseits die angeschlossenen Leuchtmittel (hier die LED-Strecke 8 mit einer oder mehreren LEDs) mit Konstantstrom versorgt und andererseits Rückführgrößen (schematisch mit 13 bezeichnet) aus dem Bereich der LED-Strecke 8 erhält.
Die DC-Versorgungsspannung 5 am Ausgang des zweiten üntermoduls B des ersten Moduls 1 wird also einem weiteres üntermodul C, als steuer-/regelbaren Konstantstromquelle, zugeführt. Dieses weitere Untermodul C versorgt also über einen Ausgang 7 die LED-Strecke mit Konstantstrom. Das zweite Modul 2 kann dabei mehrere Konverterstufen (mehrere weitere üntermodule C als Konstantstromquellen) enthalten, wobei diese Konverterstufen (weitere Untermodule C als Konstantstromquellen) jeweils voneinander getrennte (unabhängige) LED-Strecken 8 ansteuern können. Das weitere Untermodul C kann sowohl als getaktete Konstantstromquelle (also beispielsweise als
Tiefsetzsteller auch Buck-Konverter genannt oder isolierter Sperrwandler auch Flyback-Konverter genannt) oder als Linearregler (realisiert mit Transistoren oder integrierten Schaltkreisen) ausgeführt sein.
Weiterhin weist das zweite Modul 2 eine eigene Steuereinheit E auf, die wiederum als MikroController, ASIC oder Hybrid davon ausgebildet sein kann. Diese Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 enthält also Rückführgrößen 13 aus dem Bereich der LED-Strecke 8. Die Steuereinheit E steuert die eine oder mehreren weiteren Untermodule C im zweiten Modul 2 an. Dabei wird der Strom durch die LED-Strecke 8 geregelt, es können zum korrekten Betrieb der LEDs und zur Fehlererkennung aber auch weitere Rückführgrößen erfasst und überwacht werden wie beispielsweise die LED-Spannung oder die Temperatur.
Darüber hinaus kann die Steuereinheit E über eine Kommunikationsschnittstelle 6, die zusätzlich zu der DC- Versorgungsspannung 5 ausgeführt ist, mit der Steuereinheit G des ersten Moduls 1 unidirektional oder bidirektional in Datenkommunikation stehen. Die Kommunikationsschnittstelle 6 kann auch zur Übertragung der Niedervoltversorgung genutzt werden (es erfolgt dann sowohl eine Datenkommunikation als auch eine Energieübertragung) . Die Kommunikationsschnittstelle 6 kann auch in die DC-Versorgungsspannung 5 integriert sein, beispielsweise kann die Polarität der DC- Versorgungsspannung 5 umgeschaltet werden oder ein Trägersignal auf die DC-Versorgungsspannung 5 aufmoduliert werden .
Wie in Figur 1 schematisch dargestellt, ist das zweite Modul 2, hier als Lampenmanagementmodul, vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse 12 mit dem eigentlichen LED- Modul F untergebracht.
Wie in Figur 1 schematisch dargestellt, kann das LED-Modul F einen eigenen Speicher 4, beispielsweise in Form eines Eproms aufweisen. Mit dem Bezugszeichen 3 ist schematisch bezeichnet, dass die Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 auf diesen Speicher 4 des LED-Moduls F zugreifen kann.
Hinsichtlich des ersten Moduls 1 ist darauf hinzuweisen, dass die PFC-Schaltung nur fakultativ ist. Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass die dargestellten Funktionen der Untermodule A, B und C schaltungstechnisch auch integriert sein können, so dass, solange diese Funktionen grundsätzlich vorliegen, diese sich nicht in einem entsprechenden Aufbau der Schaltungstopologie widerspiegeln müssen.
Der Vorteil des modularen Aufbaus gemäß Fig. 1 ist es, beispielsweise dass das erste Modul 1 bzw. das zweite Modul 2 von unterschiedlichen Herstellern produziert werden können. Darüber hinaus können an ein erstes Modul 1 auch mehrere zweite Module 2 im Sinne eines Master/Slave- Betriebs angeschlossen werden.
Schließlich erlaubt der modulare Aufbau auch, dass die entsprechenden Untermodule und insbesondere das zweite Modul 2 unter Beibehaltung der übrigen Bestandteile austauschbar sind.
Wenn das zweite Modul 2 in einem gemeinsamen Gehäuse 12 mit dem eigentlichen LED-Modul F untergebracht ist, ergibt sich der Vorteil, dass diese Kombination aus zweitem Modul 2 und LED-Modul F in sich justiert werden kann, sodass beispielsweise deren Abstrahlungscharakteristik,
Lichtmenge, Lichtfarbe und / oder Lichtlenkung parametrisiert und somit abgeglichen werden kann. Das erste Modul 1 und auch der Nutzer können somit über ein oder mehrere abgeglichene Systeme verfügen, die bei dann aber gleich ansteuern lassen und auch dementsprechend verhalten. Dieser interne Abgleich der Kombination aus zweitem Modul 2 und LED-Modul F kann beispielsweise über eine der folgenden Methoden erfolgen: - Abgleich in der Fertigung oder bei der Inbetriebnahme
- ein geschlossenes Regelsystem innerhalb dieser
Kombination (beispielsweise mittels eines internen
SensorSystems)
- Stützwerte
- Verfahren mit LED-Charakterisierung
- oder eine Kombination aus den genannten Verfahren.
Die Kommunikation zwischen dem ersten Modul 1 und dem zweiten Modul 2 über die Kommunikationsschnittstelle 6 erfolgt dementsprechend vorzugsweise standardisiert.
Von außen beispielsweise über eine Busleitung des externen Busses 10 über die Datenschnittstelle 11 eingehende Befehle oder Abfragen werden wie dargestellt nur dem ersten Modul 1 zugeführt. Dies kann somit als externe Datenkommunikation bezeichnet werden, im Gegensatz zu der internen Datenkommunikation über die
Kommunikationsschnittstelle 6 zwischen dem ersten Modul 1 und dem zweiten Modul 2.
Dies hat den Vorteil, dass zur Anpassung an unterschiedliche externe Busse 10 nur das erste Modul 1 anzupassen ist, während der Aufbau und das Datenprotokoll für das zweite Modul 2 davon unberührt bleibt.
Die Kommunikation über die interne
Kommunikationsschnittstelle 6 ist somit auch standardisiert, da sie unabhängig von unterschiedlichen an das erste Modul 1 anlegbaren Busprotokollen oder Steuersignalen ist. Die Kommunikation über die interne
Kommunikationsschnittstelle 6 kombiniert mit dem modularen Aufbau des Systems ergibt den Vorteil, dass von dem zweiten Modul 2 die Betriebsdaten für die optimale Speisung des zweiten Moduls 2 übertragen werden können. Das zweite Modul 2 (vorzugsweise von der Steuereinheit E ausgehend) kann die erforderlichen Betriebsdaten über die interne Kommunikationsschnittstelle 6 an das erste Modul 1 übermitteln. Dies bietet den Vorteil, dass ein erstes Modul 1 mit vielen verschiedenen zweiten Modulen 2 kombiniert werden kann, wobei die erforderlichen Betriebsdaten dabei aus dem zweiten Modul 2 ausgelesen werden können. Beispiele für die Rückführgrößen 13 von der LED-Strecke 8 sind der direkt oder indirekt gemessene LED-Strom und/oder die Spannung über der LED-Strecke 8.
In dem Speicher 4, der dem LED-Modul F zugeordnet ist, können Betriebsdaten für die LEDs der LED-Strecke 8 beispielsweise beim Hersteller abgelegt werden. Diese Daten in diesem Speicher 4 können also beispielsweise Kennwerte sein, die zulässige Maximalwerte für Strom und/oder Spannung, Temperaturabhängigkeit von elektrischen oder optischen (Spektren) Parametern der LEDs, etc. Auch diese Betriebsdaten für die LEDs (beispielsweise Daten aus dem Speicher 4) können über die interne
Kommunikationsschnittstelle 6 an das erste Modul 1 übermittelt werden.
Wie bereits oben kurz ausgeführt, kann ein erstes Modul 1 im Sinne eines Masters mehrere zweite Module 2 versorgen. Dies bedeutet, dass ein einziges erstes Modul 1 mehrere zweite Module 2 nicht nur mit einer DC-Versorgungsspannung 5 versorgt, sondern auch mit diesen bidirektional im Sinne einer internen Kommunikationsschnittstelle 6 kommuniziert. Die Steuereinheit G in dem ersten Modul 1 kann wie oben bereits kurz erläutert das vorzugsweise getaktet ausgeführte zweite Untermodul B ansteuern. Dieselbe Steuereinheit G oder vorzugsweise auch eine weitere (nicht dargestellte) Steuereinheit kann auch den Betrieb des PFCs des ersten Untermoduls A regeln, d. h. beispielsweise den Schalter des PFCs des Untermoduls A ansteuern und für Signale aus dem Bereich des PFCs, wie beispielsweise die Eingangsspannung, den Strom durch eine Induktivität des PFCs, den Strom durch den Schalter des PFCs, die Ausgangsspannung des PFCs, entgegennehmen, wie schematisch durch Pfeile in Fig. 1 dargestellt ist.
Bei dem PFC kann es sich beispielsweise um einen Hochsetzsteller (Boost-Konverter ) , Sperrwandler (Buck- Boost-Konverter, einen isolierten Sperrwandler (Flyback- Konverter) oder auch SEPIC Konverter handeln.
Typischerweise liegt dabei die Ausgangsspannung (Busspannung) VBus des PFCs des ersten Untermoduls A in einem Bereich von mehreren hundert Volt DC. Aufgrund des Transformators 19 in dem zweiten Untermodul B kann somit diese DC-Spannung heruntergesetzt werden, beispielsweise auf eine Spannung im Bereich von 20 bis 60 Volt, vorzugsweise 40 bis 50 Volt DC . Somit ist die DC- Versorgungsspannung 5 nach dem Ausgang des ersten Moduls 1 in einem niedrigeren Pegel als die intern in dem ersten Modul 1 herrschenden Spannungen, was für die Anforderungen beispielsweise an die Isolierung der DC- Versorgungsspannung 5 an das zweite Modul 2 sowie an das zweite Modul 2 selbst niedrigere Ansprüche stellt. Zusätzlich kann optional eine zweite Ausgangsspannung, beispielsweise eine DC-Niedervoltversorgung für das zweite Modul 2, in dem ersten Modul 1 erzeugt werden und dem zweiten Modul 2 bereitgestellt werden.
Ein Vorteil des modularen Aufbaus mit interner Kommunikationsschnittstelle 6 wie oben geschildert ist, dass das zweite Modul 2 abgeschaltet werden kann, während das erste Modul 1 weiterhin für die
Kommunikationsschnittstelle 6 ansprechbar ist oder ggf. auch über die Kommunikationsschnittstelle 6 Meldungen absenden kann. Somit kann das erste Modul 1 eine Notlichterkennung ausführen (Umschalten von AC auf DC- Versorgung oder gleichgerichtete AC-Versorgung) . Darüber hinaus kann die Steuereinheit G, beispielsweise als Mikrocontroller, des ersten Moduls 1 in diesem Ruhezustand nur über den externen Bus 10 mit Leistung versorgt werden, wenn der Ruhezustand des externen Bus 10 (wie beispielsweise bei DALI) ungleich 0 Volt ist. Es kann also eine über den externen Bus 10 übertragene Energie zur Versorgung der Steuerschaltung G (insbesondere als Anlaufenergie für die Steuerschaltung G oder eine Niedervoltversorgungsschaltung) genutzt werden. Somit kann die eigentliche Spannungsversorgung des ersten Moduls 1 in diesem Ruhezustand abgeschaltet werden. Es ist auch möglich, dass über den externen Bus 10 nur ein Aufwecksignal gesendet wird, welches eine Anlaufenergie als Leistung zur kurzzeitigen Versorgung für die Steuerschaltung G oder eine Niedervoltversorgungsschaltung bereitstellt. In diesem Fall kann auch das erste Modul 1 komplett in einen Ruhezustand ohne Energieaufnahme versetzt werden. Das Aufwecksignal kann auch eine Datenübertragung oder ein kurzzeitiges Zuschalten einer Spannung sein. Wenn mehrere zweite Module 2 durch ein erstes Modul 1 (Zentralmodul) versorgt werden, können natürlich selektiv ausgewählte dieser mehreren zweiten Module 2 abgeschaltet werden. Auch dies führt zu einer Einsparung von elektrischen Verlusten. Beispielsweise im Notlichtfall kann vorgesehen sein, dass zum Erreichen der geringeren Grundhelligkeit für den Notlichtbetrieb nur eines bzw. eine Untergruppe der mehreren von dem ersten Modul 1 versorgten zweiten Module 2 betrieben wird. Mit dem gemeinsamen Gehäuse 12 ist ein passives oder vorzugsweise aktives, insbesondere von der Steuereinheit E angesteuertes Kühlmittel 40 verbunden, bspw. ein Ventilator oder eine Kühleinheit. Zusätzlich zu der Kommunikationsschnittstelle 6 kann das zweite Modul 2 (Lampenmanagement-Modul) auch eine zusätzliche Schnittstelle (nicht dargestellt) aufweisen. Diese zusätzliche Schnittstelle kann beispielsweise drahtgebunden oder auch drahtlos ausgelegt sein. Über diese Schnittstelle können beispielsweise Daten von dem zweiten Modul 2 ausgelesen werden, insbesondere zu Wartungszwecken, wie beispielsweise dem Austausch eines zweiten Moduls 2. Es kann aber auch eine Aktualisierung der Daten oder Steuersoftware über diese zusätzliche Schnittstelle erfolgen, insbesondere bei einer drahtlosen Kommunikation. Es kann auch möglich sein, über diese zusätzliche Schnittstelle auch fehlender DC-
Versorgungsspannung 5 (Leistungsübertragung) für das zweite Modul 2 insbesondere Daten aus diesem zweiten Modul 2 auszulesen. Vorzugsweise ist die zusätzliche Schnittstelle auf dem zweiten Modul 2 räumlich getrennt von der Kommunikationsschnittstelle 6 angeordnet.
Adaptive Ansteuerung des getakteten DC-DC-Wandlers (zweites Untermodul B) als energieübertragender Konverter Wie oben bereits erläutert, weist das erste Modul 1 ein zweites Untermodul B auf, das die Funktion eines isolierenden Wandlers aufweist. Dieses zweite Untermodul B wird ausgehend beispielsweise von dem PFC des ersten Untermoduls A mit einer DC-Spannung (Busspannung) VBus versorgt.
Dieses zweiten Untermodul B weist wie im Folgenden im Detail erläutert einen getakteten isolierenden DC/DC- Wandler auf. Dieser soll nunmehr unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert werden.
In Figur 2 ist gezeigt, dass die Ausgangsspannung des Moduls A (bspw. PFCs), nämlich die Busspannung VBu3 einem Wechselrichter 14 zugeführt ist, der beispielsweise als Halbbrücken-Wechselrichter mit zwei Schaltern Sl, S2 ausgebildet sein kann. Die Ansteuersignale für die Taktung der Schalter Sl, S2 kann von der Steuereinheit G des ersten Moduls 1 erzeugt werden. An den Mittenpunkt 29 des Wechselrichters 14 schließt sich im dargestellten Beispiel ein Resonanzkreis 15, hier als Serienresonanzkreis ausgebildet, nämlich ein LLC- Resonanzkreis, an. Im dargestellten Beispiel weist dieser Resonanzkreis 15 eine erste Induktivität 16, einen Koppelkondensator 17, einen Transformator 19 auf. An den Resonanzkreis 15 schließt sich ein Transformator 19 an mit einer Primärwicklung 20 und einer Sekundärwicklung 21. Die Induktivität 16 kann in den Transformator 19 integriert sein, wie später noch erläutert wird.
Hinsichtlich des dargestellten Beispiels ist anzumerken, dass der Transformator 19 als Ersatzschaltbild dargestellt ist. Die Primärwicklung 20 weist dabei in der Realität eine Induktivität 18 als integrierte Streuinduktivität auf und daneben eine Hauptinduktivität Lm, die den Magnetisierungsstrom führt. Auf den Transformator 19 folgt ein Gleichrichter 22, an dessen Ausgang dann die heruntergesetzte DC- Versorgungsspannung 5 für das Lampenmanagementmodul 2 bereitgestellt wird. Der Transformator 19 sorgt also für die notwendige galvanische Entkopplung (Isolierung bzgl. der dem ersten Modul 1 zugeführten Eingangsspannung 9) . Der Gleichrichter 22 kann wie an sich bekannt mit zwei oder vier Dioden ausgeführt werden, es kann indessen auch ein sogenannter ^synchronous rectifver^
(Synchrongleichrichter) vorgesehen sein, der zwei MOSFETs aufweist. Dieser Synchrongleichrichter führt wie an sich bekannt mit den beiden MOSFETs eine
Vollbrückengleichrichtung aus. Der Gleichrichter 22 kann also sowohl als aktiver Gleichrichter (mit aktiv geschalteten Elementen wie beispielsweise MOSFET) oder als passiver Gleichrichter (mit passiv geschalteten Elementen wie Dioden) ausgeführt sein. Es kann eine Vollweggleichrichtung oder auch nur eine
Einweggleichrichtung erfolgen. Auf den Gleichrichter folgt wie dargestellt ein Speicherkondensator 23. Es können am Ausgang auch weitere Filterelemente wie beispielsweise eine oder mehrere Induktivitäten und / oder auch zusätzliche Kondensatoren zur Glättung und Stabilisierung der Ausgangsspannung vorhanden sein.
Hinsichtlich des als LLC-Resonanzkreis im dargestellten Beispiel ausgeführten Resonanzkreis 15 ist zu bemerken, dass die Induktivität 16 nicht als eigenes Bauteil vorliegen muss. Vielmehr kann die Streuung der Primärwicklung 20 eines realen Transformators diese Funktion übernehmen. Wenn somit die erste Induktivität 16 durch die Streuung der Primärwicklung 20 des Transformators 19 gebildet werden soll, wird gezielt darauf geachtet, dass keine perfekte Kopplung zwischen Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 des Transformators 19 vorliegt. Beispielsweise durch eine entsprechende Beabstandung der Primärwicklung 20 und der Sekundärwicklung 21 des Transformators 19 kann gezielt der notwendige Streueffekt erreicht werden, der funktionell die erste Induktivität 16 erzielen lässt. Indessen diese Streuwirkung nicht ausreichend sein sollte, wird eine tatsächlich auch als separates Bauteil vorliegende Induktivität 16 vorgesehen sein.
Die Kombination des Wechselrichters 14 mit dem Resonanzkreis 15 und dem folgenden Gleichrichter 22 bildet also einen durch den Transformator 19 isolierenden DC/DC- Wandler als Energie übertragenden Konverter.
Dieses Prinzip findet indessen genauso auch Anwendung auf andere Resonanzschaltungen, die beispielsweise
Parallelresonanzschaltungen. Der Vorteil der Verwendung einer Resonanzschaltung in einem derartigen Energie übertragenden DC/DC-Wandler in der Ausnutzung einer Resonanzüberhöhung, um bei Nominallast oder hoher Belastung sekundärseitig ein möglichst verlustarmes Schalten der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14 zu ermöglichen. Dazu wird üblicherweise in der Nähe der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises oder in der Nähe einer harmonischen einer Resonanz des Ausgangskreises gearbeitet.
Die Ausgangsspannung (an dem Speicherkondensator 23) des übertragenen Konverters ist somit eine Funktion der Frequenz der Ansteuerung der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14, hier als Halbbrücken-Wechselrichter.
Wenn indessen an dem Ausgang der in Figur 2 dargestellten Schaltung eine geringe Last vorliegt (also das Modul 2 und die LED-Module F in Figur 1 eine geringe elektrische Last darstellen) wird die Ansteuerfrequenz der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14 weg von der Resonanzfrequenz erhöht. Mit der Veränderung der Ansteuerfrequenz ändert sich indessen nunmehr auch der Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem AC-Strom an dem Mittenpunkt 29 des Wechselrichters 14.
Bei sehr hoher Last (beispielsweise großer Strom durch die LEDs) und somit einem Betrieb nahe der Resonanz ist der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung am Mittenpunkt 29 sehr gering. Wie gesagt, bei geringer Last und somit einem Betrieb weiter entfernt von der Resonanz, wenn also beispielsweise eine geringe Leistung durch die LED-Strecke 8 fließt und somit keine oder nur eine geringe Leistung auf der Sekundärseite des Transformators 19 abgenommen wird, wird der Phasenwinkel sehr groß (siehe Figur 3c) und kann beispielsweise bis zu 50° betragen. In diesem Zustand fließen also weiterhin Ströme durch den Wechselrichter 14, die zu elektrischen Verlusten führen, ohne dass eine nennenswerte Leistung in die LED-Strecke 8 fließt.
Eine kombinierte Regelung kann vorgesehen sein. Die kombinierte Regelung besteht darin, dass für die zu regelnde Größe ΛAusgangsspannung des Energie übertragenden isolierten Konverters λ zwei Steuergrößen verwendet werden, nämlich neben der Taktung des wenigstens einen Schalters Sl, S2 des Wechselrichters 14 die Veränderung der Busspannung VBUs des Wechselrichters 14. Die Veränderung der Busspannung VBUs kann durch entsprechende Ansteuerung des PFCs des ersten Untermoduls A erreicht werden.
Zusätzlich oder alternativ kann nicht nur die Busspannung VBU3 durch entsprechende Ansteuerung des PFCs des ersten Untermoduls A angepasst werden. Abhängig vom Lastzustand oder auch Betriebszustand kann der PFC des ersten Untermoduls A entweder selbstständig oder durch eine entsprechende Ansteuerung, insbesondere durch die Steuereinheit G, den Betriebsmodus wechseln. Insbesondere kann der PFC des ersten Untermoduls A bei einem Betrieb mit hoher Last entweder im sogenannten Grenzbetrieb zwischen lückendem und nichtlückendem Strombetrieb (, Borderline Mode') oder im nichtlückendem Strombetrieb (,continuous conduction mode' ) arbeiten, und bei Betrieb einer geringen Last oder im Stand-By Modus im lückendem Strombetrieb ( , discontinuous conduction mode') arbeiten. Es wäre aber auch beispielsweise möglich, dass der PFC des ersten Untermoduls A bei Betrieb einer geringen Last oder im Stand-By Modus in sogenannten Burst Modus (also eines Puls-Pause-Betriebsmodus oder auch Impulsmodus genannt) , wechselt. Dabei wird weiterhin die Versorgungsspannung (Busspannung VBus) gleichgehalten, aber nach einer Anzahl von AnSteuerimpulsen für den oder die Schalter des PFC eine längere Pause eingelegt, bevor der nächste „Burst" (Impuls) als Ansteuersignal für die Schalter des PFC angelegt wird. Die Pause zwischen den Impulszügen ist dabei wesentlich länger, also beispielsweise mindestens das Doppelte einer Addition der EinschaltZeitdauern der Schalter des PFC.
Es liegt also ein kombiniertes Regelkonzept vor, bei dem abhängig von der Lastaufnahme von einem Rückführsignal, das diese Lastaufnahme direkt oder indirekt wiedergibt, die genannten Steuergrößen kombiniert werden.
Eine weitere Möglichkeit ist es, in der Steuergröße „Frequenz der Schalter" bei gleichbleibender Frequenz die Totzeit (siehe Figur 3b) zwischen den EinschaltZeitdauern der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14 zu verlängern. Es kann also beispielsweise die Frequenzverringerung der Leistungsbereitstellung zu einer maximal zulässigen Ansteuerfrequenz der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14 erhöht werden. Bei dieser maximal zulässigen Frequenz (entsprechend dem maximal zulässigen Phasenwinkel) wird dann die zweite Steuergröße zur weiteren Verringerung der Leistungsaufnahme verwendet, nämlich die Verlängerung der Totzeit zwischen den EinschaltZeitdauern der Schalter Sl, S2.
Eine weitere Möglichkeit ist es, bei gleichbleibender Frequenz das Verhältnis von EinschaltZeitdauer zu Ausschaltzeitdauer der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14 zu verändern (also das Einschaltverhältnis). Vorzugsweise wird das Einschaltverhältnis mit Abnahme der Last verringert. Es kann also beispielsweise die Frequenzverringerung der Leistungsbereitstellung zu einer maximal zulässigen Ansteuerfrequenz der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14 erhöht werden. Bei dieser maximal zulässigen Frequenz (entsprechend dem maximal zulässigen Phasenwinkel) wird dann die zweite Steuergröße zur weiteren Verringerung der Leistungsaufnahme verwendet, nämlich die Veränderung der EinschaltZeitdauer der Schalter Sl, S2 (bei gleichbleibender Frequenz) .
Eine weitere Möglichkeit, eine weitere Steuergröße einzuführen, ist die Einführung eines sogenannten Burst Modes (also eines Puls-Pause-Betriebsmodus oder auch Impulsmodus genannt), siehe Figur 3a. Dabei wird weiterhin die Versorgungsspannung (Busspannung VBUs) gleichgehalten, aber zumindest dann, wenn die Ansteuerfrequenz einen maximal zulässigen Wert erhalten wird, zur Verringerung der Lastbereitstellung die Frequenz nicht mehr weiter erhöht. Vielmehr werden nach einer Anzahl von AnSteuerimpulsen für beide Schalter Sl, S2 (die Anzahl ist dabei größer als 1) eine längere Pause eingelegt, bevor der nächste „Burst" (Impuls) als Ansteuersignal für die Schalter Sl, S2 angelegt wird. Die Pause zwischen den Impulszügen ist dabei wesentlich länger, also beispielsweise mindestens das Doppelte einer Addition der Einschaltzeitdauern der Schalter Sl, S2.
Bei diesem Burst-Modus, bei dem die Steuergröße also die Länge der aus Totzeit zwischen zwei Impulszügen ist, wird es natürlich zu einem gewissen „Rippel" der Spannung an der Ausgangsseite, also am Speicherkondensator 23 kommen, wie in Figur 3d dargestellt. Erfindungsgemäß kann nunmehr vorgesehen sein, dass ein zulässiger Rippel-Korridor um einen Sollwert für die Spannung an dem Speicherkondensator 23 vorgegeben ist. Wenn die Spannung nach einer gewissen Anzahl an Impulsen eines Impulszuges (Bursts) den oberen Grenzwert des Rippel-Korridors erreicht hat, wird eine längere Impulspause eingelegt. In dieser Impulspause des Burst-Betriebsmodus sinkt die Spannung am
Speicherkondensator 23 dann ab, bis sie den unteren Grenzwert des vorgegebenen Rippel-Korridors erreicht. Beim Erreichen des unteren Grenzwerts wird der nächste Impulszug angelegt, so dass sich dieses Ansteigen und Abfallen der Spannung (Rippel) am Speicherkondensator 23 zyklisch wiederholen wird. Es liegt also eine hysteretische Regelung vor. Die Burst Pakete (also der Zeitraum in dem kurzzeitig getaktet wird) können dabei relativ kurz gehalten werden. Auf diese Weise kann Störungen und auch hörbaren Geräuschen entgegengewirkt werden. Alternativ können die Bursts auch mit einer veränderlichen Wiederholrate und / oder Dauer der Pakete erzeugt werden. Wie bereits erwähnt erfolgt die adaptive Einstellung des Betriebsmodus (Steuergröße) des DC-DC-Wandlers abhängig von der Last auf der Sekundärseite, d.h. der Last, die durch die Spannung an dem Speicherkondensator 23 versorgt ist. Dazu kann ein die Last wiedergebendes Signal an die Ansteuerschaltung (IC in der Steuerschaltung G in Fig. 1) zurückgeführt werden, oder ein extern zugeführtes Dimmsignal verwendet werden. Die Leistungsaufnahme der Last kann dabei sekundärseitig (bezüglich des Transformators 19), aber auch auf der Primärseite des Transformators 19 gemessen werden. Beispielsweise kann als ein die Leistungsaufnahme der Last wiedergebendes Signal der Spannungsabfall über einen Messwiderstand 24 in Serie zu den Schaltern Sl, S2 oder zumindest in Serie zu einem der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14 verwendet werden. Die eigentliche Leistungsaufnahme stellt dann im Wesentlichen ein Produkt der (gemessenen oder zumindest durch den PFC konstant gehaltenen) Versorgungsspannung (Busspannung VBus) mit diesem über den Spannungsabfall am Messwiderstand 24 gemessenen Strom durch den Wechselrichter 14 dar.
In dem obigen Beispiel wurde eine primärseitige Erfassung für ein die Leistungsaufnahme der Last wiedergebendes Signal gegeben. Natürlich können indessen auch sekundärseitige Rückführsignale, beispielsweise der Strom durch die und/oder die Spannung über der LED-Strecke 8, etc. als Rückführsignal verwendet werden, welches Rückführsignal die Leistungsaufnahme der Last wiedergibt.
Ein bevorzugter Ablauf der adaptiven kombinierten Regelung ist es dabei, die Verringerung für die Last dadurch durchzuführen, dass kontinuierlich die Ansteuerfrequenz der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14 erhöht wird, bis einen fest vorgegebene Maximalfrequenz erreicht wird. Wenn diese Maximalfrequenz erreicht ist, aber die zugeführte Leistung für die Last weiterverringert werden soll, wird dann adaptiv die Ansteuerschaltung einer der oben angeführten weiteren Betriebsarten wählen. Wenn beispielsweise bei Erreichen der zulässigen
Maximalfrequenz die Busspannung VBus abgesenkt wird, kann dann die zulässige Maximalfrequenz der Ansteuerung der Schalter Sl, S2 beibehalten werden, oder auch wenn dies durch Absenken der Busspannung VBus oder der anderen gewählten Steuergröße überkompensiert werden kann, die Ansteuerfrequenz sogar wieder auf einen niedrigeren Sollwertbereich abgesenkt werden.
Es folgt also ein Umschalten der Steuergröße für die Leistungszufuhr für die Sekundärseite beim Erreichen der Maximalfrequenz. Beispiele für eine weitere Steuergröße die dann ergänzend oder alternativ zu der Veränderung der Ansteuerfrequenz verwendet wird, wurde bereits die Veränderung (Absenkung) der Versorgungsspannung
(Busspannung VBu3) , die Veränderung der Totzeit zwischen den Einschaltdauern der beiden Schalter Sl, S2 oder die Verlängerung der Totzeit zwischen zwei Impulszügen im Burst-Modus genannt. Dabei kann auch eine Kombination von weiteren Steuergrößen genutzt werden, beispielsweise können sowohl das Einschaltverhältnis als auch die Totzeit geändert werden.
Es liegt somit grundsätzlich eine alternative Ansteuerung eines getakteten DC-DC Wandlers als Untermodul B vor, wobei sich die Adaptivität auf die Adaption der Steuergrößen abhängig von der Lastaufnahme der Sekundärseite des DC-DC-Wandlers bezieht. Das Untermodul B kann auch durch einen Wechselrichter mit einem Schalter gebildet werden, beispielsweise als Class-E Konverter oder quasi-resonanter Flyback-Konverter . Wie in Fig. 1 und 2 bereits dargestellt kann an dem Speicherkondensator 23 ein zweites Modul 2 mit einer weiteren Konverterstufe (weiteres Untermodul C als Konstantstromquelle) angeschlossen sein, wobei das zweite Modul 2 (Lampenmanagementmodul ) eine Steuereinheit E, z.B. als integrierte Schaltung, aufweisen kann. Das weitere Untermodul C kann sowohl als getaktete KonstantStromquelle (also beispielsweise als Tiefsetzsteller, d.h. Buck- Konverter) oder als Linearregler (realisiert mit Transistoren oder integrierten Schaltkreisen) ausgeführt sein. Es können aber auch direkt LEDs an den Ausgang des zweiten Untermoduls B angeschlossen werden.
Externe Dimmbefehle können, wie in Fig. 1 dargestellt, der Steuereinheit G des ersten Moduls 1, aber auch der Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 zugeführt werden. Im zweiten Fall kann die Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 die Dimminformation an die Steuereinheit G des ersten Moduls 1 übertragen, so dass für die Leistungsaufnahme kein Messsignal vorliegen muss, sondern vielmehr aus einer der Steuereinheit G für den DC-DC-Wandler im zweiten Modul B vorliegende Dimminformation verwendet werden kann.
Die adaptive Einstellung des zweiten Untermoduls B kann aber auch aufgrund eines von extern zugeführten Dimmbefehls oder auch aufgrund einer Rückmeldung durch das zweite Modul 2 erfolgen.
Die Ansteuerung der Schalter Sl, S2 des Wechselrichters 14 kann über die Steuereinheit G über eine Treiberstufe erfolgen. Vorzugsweise ist zumindest die Treiberstufe für die auf hohem Potential liegenden Schalter des Wechselrichters für eine Ansteuerung auf hohem Spannungspotential ausgelegt. Beispielsweise handelt es sich bei dieser Treiberstufe um eine Pegelversatzstufe, eine Treiberstufe mit Transformator oder eine Treiberstufe mit Luftspule. Diese Treiberstufe kann auch in die Steuereinheit G integriert sein.
Die Steuereinheit G kann weiterhin Mittel zur Vermeidung von Fehlern beim Betrieb des Wechselrichters aufweisen. So können beispielsweise Überstromabschaltungen oder Strombegrenzungen für den Strom durch zumindest einen Schalter vorhanden sein. Es kann auch die Totzeit für die Ansteuerung des Wechselrichters einstellbar sein (d.h. die Zeitspanne zwischen dem Öffnen des einen Schalters (bspw. Sl) und dem Schließen des zweiten Schalter (S2)) . Vorzugsweise ist diese Totzeit auch adaptiv einstellbar, beispielsweise abhängig von der Mittelpunktspannung am Wechselrichter 14 oder vom Strom oder der Spannung über einem Schalter des Wechselrichters 14.
Die Steuereinheit G kann auch die Busspannung VBus überwachen, insbesondere auch den Rippel der Busspannung VBus (d.h. die Schwankungen innerhalb einer bestimmten Zeit) . Abhängig von der Auswertung des Rippeis der Busspannung VBus kann die Steuereinheit G die Ansteuerung des Wechselrichters 14 beeinflussen. Insbesondere kann sie die Frequenz des Wechselrichters 14 an die Auswertung des Rippeis der Busspannung VBus anpassen, um den Rippel am Ausgang des Wechselrichter 14 zu reduzieren. Vorzugsweise wird dabei die Frequenz des Wechselrichters bei steigender Busspannung VBus erhöht, und bei sinkender Busspannung VBus abgesenkt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass dieser Rippel auf der Busspannung VBus weniger stark an den Ausgang des Wechselrichters 14 weitergeführt wird. Datenkommunikation zwischen dem ersten Modul 1 und dem zweiten Modul 2 (Lampenmanagement-Modul) :
Bezugnehmend auf Figur 4 soll nunmehr die Kommunikationsschnittstelle 6 (interner Bus) zwischen dem ersten Modul 1 und einem oder mehreren zweiten Module 2, 2 als Lampenmanagement-Module erläutert werden.
Aufgrund der Tatsache, dass über den internen Bus mehrere zweiten Module 2, 2, nicht nur mit Leistung (Übertragungsstrecke 5), sondern auch unidirektionalen oder bidirektionalen mit Datenaustausch in Verbindung stehen (Kommunikationsschnittstelle 6) , kann das erste Modul 1 auch als Zentraleinheit oder auch Master bezeichnet werden. Die zweiten Module 2, 2' können als Slaves bezeichnet werden.
Wie bereits eingangs erwähnt liegt hinsichtlich des internen Busses für die Kommunikationsschnittstelle 6 eine standardisierte Kommunikation vor, die zusätzlich zu der DC-Versorgungsspannung 5 vorgesehen ist. Unter „standardisiert" ist zu verstehen, dass das Protokoll der Kommunikationsschnittstelle 6 unabhängig ist von dem Protokoll der externen Kommunikation über die Datenschnittstelle 11 des ersten Moduls 1.
Vorzugsweise ist die Kommunikation über die Kommunikationsschnittstelle 6 bidirektional und kann beispielsweise gemäß dem SPI-Protokoll (Serial Peripheral Interface Bus) erfolgen.
Auch die Datenkommunikation über die
Kommunikationsschnittstelle 6 (internen Bus) erfolgt vorzugsweise potentialgetrennt, beispielsweise unter Verwendung von Optokopplern oder Transformatoren.
Eine grundsätzliche Funktion der Kommunikationsschnittstelle 6 kann die Weitergabe von Dimmbefehlen von dem ersten Modul 1 an die zweiten Module 2 sein, welche beispielsweise über den externen Bus 10 empfangen worden sind. Dabei können auch aus den über den externen Bus 10 empfangenen Dimmbefehlen neue Steuerinformationen oder Befehle für die zweiten Module 2 abgeleitet werden.
Ein Anwendungsfall für die bidirektionale
Datenkommunikation über den internen Bus (Kommunikationsschnittstelle 6) ist es, dass Daten, die in einem der zweiten Module 2, 2' abgespeichert sind, über den internen Bus (Kommunikationsschnittstelle 6) zu der Steuereinheit G des ersten Moduls 1 übertragen werden können. Dies ist insofern von Vorteil, als das die Datenspeicherung in den zweiten Modulen 2, 2' näher an der LED-Strecke 8 liegt, so dass dort eine höhere Erwärmung stattfindet, die zu einem gegebenenfalls nicht wieder herstellbaren Datenverlust der Speicherung im Bereich der Lampenmanagementmodule (zweiten Modulen 2, 2 ' ) folgen kann. Auch durch die Übertragung über die Kommunikationsschnittstelle 6 zu dem ersten Modul 1 können diese Daten dann dem ersten Modul 1 im Sinne eines Backups nochmal gespeichert werden. Beispiele für diese über die Kommunikationsschnittstelle 6 übertragenen Daten sind Betriebsdaten für die LED-Strecke 8, wie beispielsweise Temperaturen, Betriebszeitdauern, elektrische Parameter etc. Nachdem die Daten von einem der Lampenmanagementmodule (zweite Module 2, 2 ' , 2n' ) zum ersten Modul 1 übertragen sind, können sie natürlich gegebenenfalls weiter verarbeitet auch über den externen an der Datenschnittstelle 11 angeschlossenen Bus 10 ausgelesen werden. Somit kann über den externen Bus 10 eine weitere Analyse der Betriebsdaten, beispielsweise eine Ausfalls- Analyse, eine Alterungskompensation abhängig von der übertragenen Betriebszeitdauer der LED-Strecke 8, etc. erfolgen.
Der standardisierte Ansatz für den internen Bus (Kommunikationsschnittstelle 6) hat auch den Vorteil, dass Lampenmanagement-Module (zweite Module 2, 2') in einfacher Weise ausgetauscht werden können. Die Zufuhr in einer auszutauschenden Lampenmanagement-Modul (zweite Module 2, 2 ' ) abgespeicherte Daten können wir oben bereits beschrieben nach Übertragung über die Kommunikationsschnittstelle 6 in dem ersten Modul 1 abgespeichert werden. Wenn dann das Lampenmanagement-Modul ausgetauscht ist, können die in dem ersten Modul 1 abgelegten Betriebsdaten wieder zu dem neu eingesetzten Lampenmanagement-Modul übertragen werden, so dass dieses dann identisch zu dem ersetzten Lampenmanagement-Modul konfiguriert ist.
Weitere Beispiele für derartige Betriebsdaten sind Farbkoordinaten, Farbort oder andere das Spektrum der LED- Strecke 8 beeinflussende Parameter.
Über die Kommunikationsschnittstelle 6 können auch Lastwechsel oder besondere Betriebszustände oder vergleichbare Ereignisse von einem zweiten Modul 2, 2' über die Kommunikationsschnittstelle 6 an das erste Modul 1 übertragen werden. Es kann damit eine
Vorabsignalisierung von zu erwartenden Lastwechseln oder Betriebszustandsänderungen erfolgen, so dass die Steuereinheit G im ersten Modul 1 die Ansteuerung des PFCs im ersten Untermodul A und/oder die Ansteuerung des zweiten Untermodul B entsprechend adaptiv anpasst. Beispielsweise kann abhängig von einem über die Kommunikationsschnittstelle 6 von einem zweiten Modul 2, 2 ' übertragenen zu erwartenden Lastwechsel oder Betriebszustandswechsel die Steuereinheit G des ersten Moduls 1 Parameter für den in Figur 2 dargestellten Wechselrichter 14 und/oder Reglereigenschaften für die Ansteuerung des PFCs im ersten Untermodul A anpassen.
Natürlich kann auch eine Art Vorabinformation umgekehrt, d.h. von dem ersten Modul 1 hin zu den zweiten Modulen 2, 2 ' erfolgen. Wenn beispielsweise das erste Modul 1 über den externen Bus 10 und die Datenschnittstelle 11 bzw. die Schnittstellenschaltung D Dimmbefehle erhält, die einen Lastwechsel der LED-Strecke 8 bedeuten, können derartige Informationen bzw. ein den Betriebszustandswechsel wiedergebendes Signal über den Bus bzw. die Kommunikationsschnittstelle 6 an die zweiten Modulen 2, 2 ' übertragen werden, so dass auch die in den zweiten Modulen 2, 2 ' vorgesehene Steuereinheit E Steuerparameter, beispielsweise für die Konstantstromquelle (weiteres Untermodul C) entsprechend dem zu erwartenden Lastwechsel anpassen können.
Das in Figur 4 gezeigte Master/Slave-System hat auch Vorteile hinsichtlich der Verringerung elektrischer Verluste, da eine Art Standby-Betrieb vorgesehen sein kann, in dem eines, mehrere, oder auch alle der an einem ersten Modul 1 angeschlossenen zweiten Module 2, 2' abgeschaltet werden, während zumindest die Steuereinheit G des ersten Moduls 1 weiterhin den extern angeschlossenen Bus 10 über die Datenschnittstelle 11 bzw. die Schnittstellenschaltung D überwachen kann.
Extern ist das in der Figur 4 dargestellte Master/Slave- System vorzugsweise nur über den an der Datenschnittstelle 11 bzw. die Schnittstellenschaltung D des ersten Moduls 1 angeschlossenen Bus 10 ansprechbar. Indessen kann es eine interne hierarchische Aufteilung, ggf- inklusive Adressierung über den internen Bus
(Kommunikationsschnittstelle 6) hin zu den mehreren anschließbaren zweiten Modulen 2, 2 ' geben.
Somit kann einerseits eine adressierte Kommunikation hin zu den zweiten Modulen 2, 2' erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann indessen auch ein Broadcast-Modus vorgesehen sein, d.h. eine nicht andressierte Datenübermittlung von dem ersten Modul 1 an alle angeschlossenen zweiten Module 2, 2'. In diesem Broadcast- Modus wird ein von dem ersten Modul 1 über den internen Bus (Kommunikationsschnittstelle 6) ausgesandter Befehl von allen zweiten Modulen 2, 2 'empfangen und ausgewertet.
Die Kommunikationsschnittstelle 6 kann auch zur Übertragung der Niedervoltversorgung genutzt werden (es erfolgt dann sowohl eine Datenkommunikation als auch eine Energieübertragung) . Beispielsweise kann eine sogenannte Active Low Datenübertragung genutzt werden, wobei im Ruhezustand ein Pegel von einigen Volt, beispielsweise 12V, anliegt. Bei einer Kopplung beispielsweise über Transformatoren könnte somit auch bei einer galvanischen Trennung der Kommunikationsschnittstelle 6 trotzdem auch Energie übertragen werden.
Niedervoltversorgung
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 soll nunmehr eine Niedervoltversorgung in dem in Fig. 1 gezeigten modularen System erläutert werden.
Es wird im Weiteren dann erläutert werden, wie durch eine derartige Niedervoltversorgung beispielsweise auch durch ein zweites Modul 2 (Lampenmanagementmodul ) aktive Kühlmittel 40, wie beispielsweise ein Ventilator etc. versorgt werden können. Derartiges aktives Kühlmittel 40 wird also nicht direkt ausgehend von dem ersten Modul 1, sondern vorzugsweise individuell über jedes angeschlossene Lampenmanagementmodul 2 mit elektrischer Leistung versorgt .
In der Figur 5 ist wiederum gezeigt, wie die Busspannung VBUsr beispielsweise durch den PFC-Modul des ersten Moduls 1 erzeugt, einem Wechselrichter zugeführt wird. Im dargestellten Beispiel weist der Wechselrichter nur einen Schalter Sl im Gegensatz zu dem Wechselrichter 14 als Halbbrückenwechselrichter von Fig. 2 auf. Im dargestellten Beispiel ist folgend auf den Wechselrichter mit dem Schalter Sl die Primärwicklung 20 des Transformators 19 gezeigt. Wiederum wird ausgehend von der Sekundärwicklung 21 des Transformators 19 ein Gleichrichter 22 versorgt, bei dem die Ausgangsspannung des Gleichrichters 22 direkt oder indirekt der LED-Strecke 8 zugeführt ist. Somit stellen die Primär- und Sekundärwicklungen 20, 21 den bereits weiter oben erläuterten Pfad zur elektrischen Leistungsversorgung ( DC-Versorgungsspannung 5) der LED- Strecke des LED-Modul F dar.
Bei dem Wechselrichter gemäß Fig. 5 kann es sich um einen Konverter mit einem oder mehreren Schaltern wie beispielsweise einen Halbbrückenwechselrichter (siehe Beispiel Fig.2) oder isolierten Sperrwandler (Flyback- Konverter) handeln.
Zusätzlich zu diesem Übertragungspfad gibt es nunmehr erfindungsgemäß einen weiteren Niedervolt- Übertragungspfad. Dieser weist eine weitere
Sekundärwicklung 30 auf, die also ebenfalls magnetisch mit der Primärwicklung 20 gekoppelt ist. Über eine Gleichrichterschaltung mit einer Diode 31 und einem Kondensator 32 wird durch entsprechend Wahl der Wicklungsverhältnisse der Wicklungen 20, 30 eine sekundärseitige DC-Niedervoltspannungsversorgung VCcs erzeugt. In der Figur ebenfalls dargestellt, ist diese sekundärseitige DC-Niedervoltspannungsversorgung VCcs ebenfalls dem zweiten Modul 2 zugeführt. Das zweite Modul 2 kann dann diese Niedervoltspannungsversorgung in unterschiedlicher Weise verwenden, nämlich:
- zur Versorgung der integrierten Steuereinheit E im Lampenmanagementmodul (zweiten Modul 2),
- zur selektiv gesteuerten Ansteuerung von aktiven Kühlmitteln 40, und/oder zur aktiven Versorgung weiterer angeschlossener Aktoren oder Sensoren, die schematisch mit dem Bezugszeichen 41 bezeichnet sind. Wie in der Figur 5 weiterhin dargestellt, ist eine noch weitere (und somit dritte) Sekundärwicklung 33 magnetisch mit der Primärwicklung 20 des Transformators 19 gekoppelt. Diese Sekundärwicklung 33 speist einen Gleichrichter mit einer Diode 42 und einem Kondensator 43, dient zur Erzeugung einer primärseitigen
Niedervoltspannungsversorgung VCCP- Unter primärseitig ist dabei zu verstehen, dass diese Niedervoltspannungsversorgung VCCP im ersten Modul 1 verwendet wird (also auf der Netzseite, d.h. vor einer Potentialtrennung) , beispielsweise als
Niedervoltspannungsversorgung für die interne integrierte Steuereinheit G des ersten Moduls 1.
Während die Leistungsübertragung über die Strecke der DC- Versorgungsspannung 5 zur Speisung des LED-Modul F beispielsweise 48 Volt DC betragen kann, ist der Spannungspegel der Niedervoltspannungsversorgungen Vccs und VCCP deutlich geringer, und beispielsweise in einem Bereich von 2 bis 12 Volt DC.
Es können also zwei unterschiedliche DC-
Spannungsversorgungen von dem ersten Modul 1 an jedes angeschlossene zweite Modul 2 zugeführt werden.
Der Sensor 41, der funktionell dem zweiten Modul 2 zugeordnet ist, kann ein Helligkeitssensor, beispielsweise eine Photodiode mit optionaler Auswertelogik, sein.
Der Sensor 41, der funktionell dem zweiten Modul 2 zugeordnet ist, kann natürlich auch ein Temperatursensor sein, dessen Ausgangssignal beispielsweise zur Ermittlung der Temperatur der LED-Junction der LEDs des LED-Moduls F verwendet werden kann. Andererseits kann dieser Sensor 41 als Temperatursensor auch zur Regelung des Betriebs der aktiven Kühlung, beispielsweise des Kühlmittels 40 (vorzugsweise als Ventilator) verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann natürlich auch eine Temperaturermittlung der Temperatur der LED-Junction durch Auswertung der Kennlinie und Messung elektrischer Parameter der LED-Strecke des LED-Moduls F erfolgen.
Dadurch, dass die primärseitige
Niedervoltspannungsversorgung VCCP über eine für die Erzeugung der sekundärseitigen Niedervoltspannungsversorgung VCcs unabhängige Wicklung 33 erfolgt, liegt somit eine Potentialtrennung vor.
Wie einen Zusammenschau der Figur 2 und Figur 5 erkennen lässt kann ein Wechselrichter mit einem Schalter Sl oder mehreren Schaltern Sl, S2 vorliegen. Als weitere Beispiele neben dem in Figur 2 dargestellten Wechselrichters 14 als Halbbrückenwechselrichter sind zu nennen der Flyback- Konverter, ein SEPIC oder ein Vorwärtswandler. Es liegt auf jeden Fall also ein isolierter Wandler vor.
Für die Anlaufphase der Steuereinheit G des ersten Moduls 1 kann in an sich bekannter Weise mit der Eingangsspannung 9 ein Anlaufwiderstand Rl gespeist werden, der die Steuereinheit G mit Energie versorgt, bis die primärseitige Niedervoltspannungsversorgung VCCP erwartungsgemäß erzeugt wird, da die Erzeugung der primärseitigen und auch der sekundärseitigen
Niedervoltspannungsversorgungen VCCP und Vccs eine Taktung des zweiten üntermoduls B (DC/DC-Wandler) voraussetzt. Wenn die eigentliche Niedervoltspannungsversorgung dann ausgehend von dem isolierten Wandler (zweiten Untermoduls B) angefahren ist, kann der ohmsche Anlaufwiderstand Rl wieder mit dem Schalter S3 abgeschaltet werden, um somit elektrische Verluste über den Anlaufwiderstand Rl im regulären Betrieb der Schaltung zu vermeiden.
Vorzugsweise werden die Niedervoltspannungsversorgungen VCCS A VQCP mittels eine Vollbrücken-Gleichrichters gewonnen. Es kann aber auch nur eine einzige Diode zur Gleichrichtung verwendet werden.
Die sekundäre DC-Niedervoltspannungsversorgung Vccs für das zweite Modul 2 kann zur Spannungsstabilisierung wie in der Figur 5 gezeigt nochmals eine Kühlmittelansteuerung 50, beispielsweise einen DC/DC-Konverter oder auch einen Linearregler zugeführt werden, wobei dann die stabilisierte Ausgangsspannung dieses DC/DC-Konverters oder Linearreglers 50 die Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 speist.
Speicherabgleich Kommunikation zwischen Lampenmanagement- Modul und LED-Modul
Wie in Figur 1 dargestellt, kann das LED-Modul F in einem ihm zugeordneten Speicher 4, beispielsweise mit einem EPROM, FLASH oder OTP versehen sein.
Durch das Bezugszeichen 3 in Figur 1 schematisch dargestellt, kann die Steuereinheit E, beispielsweise eine integrierte Schaltung oder ein MikroController des zweiten Moduls 2 auf den Speicher 4 des LED-Moduls F zugreifen, um somit beispielsweise dessen Speicherinhalt selektiv auszulesen. Die von diesem Speicher 4 ausgelesenen Daten können dann beispielsweise auch von der Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 über die Kommunikationsschnittstelle 6 (interner Bus) an das erste Modul 1 gesandt werden. Die Daten in dem Speicher 4 können beispielsweise die Laufzeit, Fertigungsdaten, eine Fehlerlogging, Maximalwert, Minimalwerte (z.B. für Strom und Spannung) und / oder die Temperatur sein.
Dies hat den Vorteil, dass eine etwaige Beeinträchtigung des Speicherinhalts des Speichers 4 des LED-Moduls F, beispielsweise durch die Temperaturbeeinträchtigung aufgrund der großen physischen Nähe zu der LED-Strecke 8, verringert wird. Somit kann die Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 diese Daten auslesen und in einem ihm zugeordneten Speicher im Sinne eines Backups ablegen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 periodisch oder Betriebszustands- oder eventabhängig den Speicher 4 des LED-Moduls F auffrischen.
Es kann indessen auch möglich sein, dass das LED-Modul F selbst keinen Speicher aufweist. Die entsprechenden Daten, beispielsweise der zulässige Vorwärtsstrom für die LEDs der LED-Strecke 8 können in diesem Fall in den der Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 zugeordneten Speicher 51 geschrieben werden. Dies kann beispielsweise während der Herstellung des zweiten Moduls 2 erfolgen.
Eine noch weitere Alternative oder zusätzliche Option ist es, dass das LED-Modul F mit einem Identifikations-Tag versehen ist, das beispielsweise die Betriebsdaten repräsentiert oder zumindest eine Identifikation für das LED-Modul F darstellt. Das Identifikations-Tag wird dann von der Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 ausgelesen und beispielsweise in einen der Steuereinheit E des zweiten Moduls 2 zugeordneten Speicher abgelegt. Dieser somit nur einmal ausgelesene Dateninhalt des Identifikations-Tags kann dann für den weiteren Betrieb des LED-Moduls F verwendet werden. Wie gesagt, es kann sich bei dem Identifikations-Tag auch nur um eine reine Identifikation handeln. Das Lampenmanagement-Modul (zweite Modul 2) würde in diesem Fall die Identifikationsdaten ermitteln und dann von dem LED-Modul F unabhängigen Speicher, beispielsweise auch einen über den externen Bus 10 zugreifbaren Datenbankinhalt, zugehörige Betriebsdaten ermitteln. Der Ansatz hat natürlich den Vorteil, dass somit die Kosten für den zusätzlichen Speicher 4, beispielsweise ein Eprom des LED-Moduls F eingespart werden können.
Die Möglichkeit des Auslesens des Speichers 4 des LED- Moduls F durch die Steuereinheit E ergibt den Vorteil, dass ein ganz verschiedene LED-Module F mit einem Lampenmanagement-Modul (zweiten Modul 2) kombiniert werden können, wobei die erforderlichen Betriebsdaten dabei aus dem LED-Moduls F ausgelesen werden können und sich das Lampenmanagement-Modul (zweiten Modul 2) somit flexibel an das angeschlossene LED-Modul F anpassen kann. Lichtleistungskalibrierung
Vorzugsweise weist das LED-Modul F wie schematisch in Figur 6a, 6b bereits gezeigt, zwei, drei oder noch mehr voneinander unabhängig steuerbare Kanäle 53, 53', 53'' auf. Jeder Kanal 53, 53', 53'' kann eine LED-Strecke 8, 8', 8'' mit einem oder mehrere LEDs aufweisen. Vorzugsweise sind natürlich die LEDs einer LED-Strecke 8, 8', 8'' hinsichtlich ihres Spektrums nahezu identisch.
Ziel ist es, dass die unterschiedlichen LED-Kanäle 53, 53', 53'' des LED-Moduls F im Farbraum (bspw. CIE- Normfarbtafel ) einen Raum aufspannen, innerhalb dessen die gewünschten ansteuerbaren Farbkoordinaten liegen.
Bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung der zwei oder mehreren LED-Kanäle 53, 53', 53'' des LED-Moduls F derart, dass der umspannte Raum zumindest große Bereiche der Planckschen Weißlichtkurve umfasst.
Eine beispielsweise Ausgestaltung könnte also sein: ein erster Kanal mit einer oder mehreren monochromatischen blauen LEDs,
ein zweiter Kanal mit einer oder mehreren monochromatischen roten LEDs und
ein dritter Kanal mit einer oder mehreren farbstoffkonvertierten LEDs, vorzugweise im grünlichweißen Spektrum.
Bei Vorliegen von drei unterschiedlichen LED-Kanälen wird also im Farbkoordinatensystem (CIE) ein Dreieck aufgespannt. Durch unterschiedliche individuelle
Ansteuerung der Intensitäten der unterschiedlichen LED- Kanäle kann jeder Farbort (Koordinate) innerhalb des dadurch gebildeten Dreiecks angesteuert werden.
Das obige Beispiel spannt im Farbraum ein Dreieck auf, das zumindest große Bereiche der Planckschen Weißlichtkurve abdeckt. Somit kann durch individuelle Ansteuerung der drei genannten LED-Kanäle im Wesentlichen jeder Punkt der Planckschen Weißlichtkurve angesteuert werden, d.h. es kann - als Ergebnis einer Mischung des Lichts der mehreren LED-Kanäle - weißes Licht mit unterschiedlicher Farbtemperatur ausgesendet werden.. Wie gesagt, um die unterschiedlichen Farborte insbesondere auf der Planckschen Weißlichtkurve anzusteuern, müssen die unterschiedlichen LED-Kanäle mit unterschiedlicher Intensität angesteuert werden, wobei die Intensität bspw. durch Amplitudenmodulation (Strom durch die LEDs) und/oder PWM-Modulation erreichbar ist.
Für den Farbort ist indessen die Lichtintensität der jeweiligen LED entscheidend, die dann bei bekanntem Wirkungsgrad der LED in eine elektrische Ansteuergrösse zurückgerechnet wird.
Dies ist bei bekannter ermittelter oder vorab bekannter Effizienz der LEDs der LED-Kanäle rechnerisch möglich, d.h. ausgehend von einer X/Y-Koordinate des gewünschten Farborts kann unmittelbar die anzusteuernde Intensität (ausgedrückt in einer Ansteuergrösse wie bspw. Amplitude und/oder Tastverhältnis) der einzelnen Kanäle berechnet werden . Ein Problem ist nunmehr, dass unterschiedliche LEDs unterschiedliche Wirkungsgrade (Lumen/LED-Strom) haben. Insbesondere ist die Kurve des Lichtoutputs (Helligkeit für eine vorgegebene Wellenlänge) bzw. deren Steigung nicht für alle LEDs gleich. Wenn nunmehr unterschiedliche Farborte innerhalb des aufgespannten Dreiecks im Farbkoordinatensystem, insbesondere zum Abfahren der Planckschen Weißlichtkurve angesteuert werden, wird zwar das gewünschte Spektrum erreicht, es wird sich aber normalerweise der Gesamtlichtoutput verändern. Der Gesamtlichtoutput wird dabei tendenziell geringer werden, je höher der Anteil der Intensität von weniger effizienten LEDs ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung soll nunmehr auch bei einem Abfahren unterschiedlicher Farborte, insbesondere auf der Planckschen Weißlichtkurve, der Gesamtlichtoutput konstant bleiben.
Dazu wird vorab rechnerisch oder experimentell ermittelt, bei welchem Punkt innerhalb der abzufahrenden Farborte innerhalb des aufgespannten Farbdreiecks der minimale Lichtoutput vorliegt. In Kenntnis des minimalen Lichtoutputs können dann die Ansteuerintensitäten für alle anderen anzufahrenden Farborte kalibriert werden, d.h. es werden Λ künstlich λ die Intensitäten für jeden vom minimalen Lichtoutput abweichenden Farbort herunterskaliert, so dass letztendlich in dem aufgespannten Farbraum überall konstant Licht mit dem minimal erzielbaren Lichtoutput erzeugt wird. Diese Kalibrierung auf den minimal erzielbaren Lichtoutput erfolgt also mittels eines Kalibrierungsfaktors, der gleichermaßen auf die Intensitäten sämtlicher LED-Kanäle angewandt wird.
Der Kalibrierungsfaktor kann dabei aufgrund der bekannten Wirkungsgrade der verwendeten LEDs berechnet werden.
Für den Fall, dass die Wirkungsgrade der unterschiedlichen LEDs der LED-Strecken 8, 8', 8'' nicht bekannt sein sollten, kann beispielsweise mittels eines Photosensors der Gesamtlichtoutput beim Abfahren unterschiedlicher Farborte, insbesondere in der Art eines Scans der Planckschen Weißlichtkurve unter gleichzeitiger Messung des Gesamtlichtoutputs gemessen werden. Eine derartige Messung ermittelt also einerseits den minimalen Gesamtlichtoutput innerhalb der abzufahrenden Farborte sowie die Abhängigkeit des Gesamtlichtoutputs vom Farbort. Beispielsweise kann der Kalibrierungsfaktor zur Verringerung der Intensitäten der einzelnen LED-Strecken im Sinne eines PWM-Dimmens (durch Änderung der Pulsweite der Ansteuerung) durchgeführt werden. Somit wird vorzugsweise das Kalibrieren durch eine Verringerung des Tastverhältnisses einer PWM-Ansteuerung erzeugt. Es kann dies aber auch durch eine Anpassung der Amplitude erfolgen (im Sinne eines Amplitudendimmens ) . Gerade wenn das Dimmen bzw. Einstellen der Intensität über eine Pulsweiten- Modulation (PWM) erfolgt, kann die Kalibrierung über einer Anpassung der Amplitude erfolgen.
Der genannte Intensitätsscan kann wiederholt ausgeführt werden, da nämlich die unterschiedlichen LEDs hinsichtlich ihres Wirkungsgrads (Intensität pro Strom) unterschiedliche Alterungserscheinungen aufweisen, die kompensiert werden müssen und zu unterschiedlichen Wirkungsgraden führen können. Insbesondere eine farbstoffkonvertierte LED wird einen höheren Grad an Alterung aufweisen als monochromatische LEDs.
Der genannte Intensitätsscan kann aber auch zur Überwachung der Alterung eingesetzt werden, wenn die Betriebsdaten der LED bekannt sind (beispielsweise in dem Speicher 4 des LED-Modul F abgelegt sind) .
Derartige Alterungsparameter können indessen auch bereits herstellerseitig ermittelt und beispielsweise in dem Speicher 4 abgelegt werden, der dem LED-Modul F zugeordnet ist .
Liste der Bezugszeichen
1: erstes Modul
2, 2': zweites Modul
3: Zugriff von E auf 4
4 : Speicher
5: DC-Versorgungsspannung
6: Kommunikationsschnittstelle 7 : Ausgang
8, 8' , 8" : LED-Strecke
9: Eingangsspannung
10: externer Bus
11: Datenschnittstelle
12: Gehäuse
13: Rückführgröße von 8
14: Wechselrichter
15: Resonanzkreis
16: Induktivität
17: Koppelkondensator
18: Induktivität
19: Transformator
20: Primärwicklung
21: Sekundärwicklung
22: Gleichrichter
23: Speicherkondensator
24: Messwiderstand
29: Mittenpunkt
30: Sekundärwicklung
31: Diode
32: Kondensator
33: Sekundärwicklung
40: Kühlmittel 41: Aktoren oder Sensoren
42: Diode
43: Kondensator
50: Kühlmittelansteuerung
51: Speicher
52: Speicher, der mit der Steuereinheit G verbunden ist
53, 53' , 53" : LED-Kanal
A: erstes Untermodul
B: zweites Untermodul
C: weiteres Untermodul
D: SchnittStelleschaltung
E : Steuereinheit
F: LED-Modul
G: Steuereinheit
Lm: HauptInduktivität
Rl : Anlaufwiderstand
Sl : Schalter
S2: Schalter
S3: Schalter
Vßus · Busspannung
VCCP : primärseitige NiedervoltspannungsVersorgung
Vccs ·' sekundärseitige DC-NiedervoltspannungsVersorgung

Claims

Ansprüche :
1. Verfahren zum Betreiben einer Lichtquelle mit einem LED-Modul (F), welche zumindest zwei LED- Kanäle (53, 53') mit jeweils einer LED-Strecke (8, 8') unterschiedlicher Emissionsfarben aufweist ,
wobei zum Erzielen einer Lichtabgabe mit einem Farbton entsprechend einem gewünschten Farbort die LED-Strecken (8, 8') in ihrer Intensität individuell angesteuert werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Intensitäten für die LED-Strecken (8, 8') jeweils derart normiert werden, dass bei einem Wechsel des Farborts innerhalb eines für den Betrieb vorgesehenen ansteuerbaren
Farbbereichs die Gesamtintensität der Lichtabgab' konstant bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Normierung der Intensitäten der LED- Strecken (8, 8') auf Basis eines Referenzwerts erfolgt, welcher der Intensität desjenigen
Farborts entspricht, der innerhalb des für den Betrieb vorgesehenen ansteuerbaren Farbbereichs den geringsten Wirkungsgrad aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Farbort mit dem geringsten Wirkungsgrad auf Basis von zuvor bestimmten Wirkungsgraden fü die einzelnen LED-Strecken (8, 8') ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Farbort mit dem geringsten Wirkungsgrad experimentell im Rahmen eines Scans ermittelt wird .
Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Scan in regelmäßigen Abständen und/oder betriebsabhängig durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der für den Betrieb vorgesehene ansteuerbar Farbbereich zumindest einen Teil der Planckschen Weißlichtkurve umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der für den Betrieb vorgesehene ansteuerbar Farbbereich im Wesentlichen der Planckschen Weißlichtkurve entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquelle wenigstens eine
monochromatische und wenigstens eine
farbstoffkonvertierte LED aufweist, insbesondere eine monochromatische blaue LED, eine
monochromatische rote LED und eine grünlich-weiße farbstoffkonvertierte LED aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Dimmen bzw. Einstellen der Intensitäten der einzelnen LED-Strecken (8,8') mittels
Pulsweitenmodulation erfolgt.
Anordnung zur Lichtabgabe mit einer Lichtquelle mit einem LED-Modul (F), aufweisend
zumindest zwei LED-Kanäle (53, 53') mit jeweils eine LED-Strecke (8, 8') unterschiedlicher
Emissionsfarben sowie
eine Steuereinheit (E) , welche dazu ausgebildet ist, zum Erzielen einer Lichtabgabe mit einem Farbton entsprechend einem gewünschten Farbort die LED-Strecken (8, 8') in ihrer Intensität individuell anzusteuern,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Intensitäten für die LED-Strecken (8, 8') durch die Steuereinheit (E) jeweils derart eingestellt bzw. normiert werden, dass bei einem Wechsel des Farborts innerhalb eines für den Betrieb vorgesehenen ansteuerbaren Farbbereichs die Intensität der Gesamtlichtabgabe konstant bleibt .
Anordnung zur Lichtabgabe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Normierung der Intensitäten der LED- Strecken (8, 8') auf Basis eines Referenzwerts erfolgt, welcher der Intensität desjenigen
Farborts entspricht, der innerhalb des für den Betrieb vorgesehenen ansteuerbaren Farbbereichs den geringsten Wirkungsgrad aufweist.
12. Anordnung zur Lichtabgabe nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese dazu ausgebildet ist, den Farbort mit dem geringsten Wirkungsgrad selbständig zu ermitteln .
13. Anordnung zur Lichtabgabe nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese ferner einen Sensor (41) zum Erfassen der Lichtabgabe aufweist, wobei die Steuereinheit (E) dazu ausgebildet ist, im Rahmen eines Scans durch unterschiedliches Ansteuern der LED- Strecken (8, 8') Licht entsprechend
unterschiedlicher Farborte zu generieren und auf Basis der bei den unterschiedlichen Farborten erhaltenen Sensor-Informationen den Farbort mit dem geringsten Wirkungsgrad zu ermitteln.
14. Anordnung zur Lichtabgabe nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (E) dazu ausgebildet ist, den Scan in regelmäßigen Abständen und/oder betriebsabhängig durchzuführen.
15. Anordnung zur Lichtabgabe nach einem der
vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der für den Betrieb vorgesehene ansteuerbare Farbbereich zumindest einen Teil der Planckschen Weißlichtkurve umfaßt.
16. Anordnung zur Lichtabgabe nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass der für den Betrieb vorgesehene ansteuerbare Farbbereich im Wesentlichen der Planckschen
Weißlichtkurve entspricht.
17. Anordnung zur Lichtabgabe nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquelle wenigstens eine
monochromatische und wenigstens eine
farbstoffkonvertierte LED aufweist, insbesondere eine monochromatische blaue LED, eine
monochromatische rote LED und eine grünlich-weiße farbstoffkonvertierte LED aufweist.
18. Anordnung zur Lichtabgabe nach einem der
Ansprüche 11 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Dimmen bzw. Einstellen der Intensitäten der einzelnen LED-Strecken (8, 8') mittels
Pulsweitenmodulation erfolgt.
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