EP2795999A1 - Betriebsschaltung für leuchtdioden und verfahren zum betrieb von leuchtdioden - Google Patents

Betriebsschaltung für leuchtdioden und verfahren zum betrieb von leuchtdioden

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EP2795999A1
EP2795999A1 EP12812929.3A EP12812929A EP2795999A1 EP 2795999 A1 EP2795999 A1 EP 2795999A1 EP 12812929 A EP12812929 A EP 12812929A EP 2795999 A1 EP2795999 A1 EP 2795999A1
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EP
European Patent Office
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voltage
led
switch
switching regulator
current
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EP12812929.3A
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EP2795999B1 (de
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Martin Huber
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Tridonic GmbH and Co KG
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Tridonic GmbH and Co KG
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Publication date
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    • 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]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/375—Switched mode power supply [SMPS] using buck topology
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    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/38—Switched mode power supply [SMPS] using boost topology

Definitions

  • the present invention relates to a circuit and a method for operating one or more light-emitting diodes (LEDs) by means of switching regulators for
  • switching regulators such as buck converters, Buck converters, boost converters, or
  • boost converters boost converters
  • flyback converters etc.
  • a control unit controls a clocked semiconductor power switch, by means of magnetized in the on state, an inductance
  • the control of the switch can be effected by the control unit 25 via pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the use of operating circuits is known for a controlled operation of LEDs, the regulation For example, support the power supplied to the LEDs or the current supplied to the LEDs.
  • Such a regulation requires a recirculated measured variable which can directly or indirectly reproduce, for example, the voltage drop across the LEDs and / or the current flowing through the LEDs.
  • a regulator When controlling the LED current, a regulator tries to keep the current constant through the LEDs. An operating circuit with such a regulation should also be usable for different LED loads.
  • the problem with such a control is the fact that e.g. Depending on the LED load and depending on the dimming value, the control behavior may change.
  • the disadvantage here is, for example, the varying behavior of the controller in terms of stability and temporal response. It is therefore an object of the present invention to provide an operating circuit for at least one light-emitting diode and a method for operating at least one light-emitting diode, which improves the regulation of the current, voltage or electrical power supplied to the LED, even if different LED loads can be connected.
  • a method for operating at least one light-emitting diode by means of an actively clocked switching regulator circuit designed as a step-down converter, to which an input voltage is supplied, and an output voltage for supplying the at least one light-emitting diode by means of at least one switch clocked by a control unit provides.
  • the switching regulator circuit is a current (or its time average) by the LED (s), the voltage via the LED (s) or the LED (s) supplied electrical power directly or indirectly reproducing actual value signal fed back, which with a current, voltage or power setpoint is compared.
  • a control loop is formed whose control variable is the timing of the switch. The properties of the control loop are dependent on the operating mode of
  • the control is a hysteresis control in which, in the case of current regulation, the LED current fluctuates cyclically between two values.
  • control algorithm can be implemented analog or digital. Particularly in the case of digital implementation, the change in the properties of the control loop preferably takes place by changing the parameter of the digitally implemented control. Meanwhile, the
  • an operating circuit for at least one light-emitting diode, comprising a switching regulator circuit, which is supplied with an input voltage and which provides an output voltage (current) for supplying the at least one light-emitting diode by means of at least one switch clocked by a control unit.
  • the control parameters are for the regulation of the output current, the output voltage or the delivered electrical power depending on the operating mode of
  • control parameters can be changed.
  • the operating mode of the switching regulator circuit can be detected.
  • the control parameters can be adjusted.
  • the switching regulator circuit can be operated in a continuous and / or in a discontinuous mode.
  • a respective control parameter set can be provided for each of these operating modes.
  • the discontinuous operating mode can be detected by detecting a reversal or rising of the output voltage of the switch when the switch is switched off.
  • the discontinuous mode of operation be recognized that when the switch is off, a reversal or rising of the voltage dropping at a diode downstream of the switch is determined.
  • the discontinuous operating mode can be detected by detecting, when the switch is switched off, a reversal or rising of the voltage drop across an energy store of the switching regulator circuit.
  • the discontinuous operating mode can be further recognized by the fact that when switching on the switch, the output voltage of the switch or the voltage dropping at a diode downstream of the switch or the voltage dropping across an energy store of the switching regulator circuit is greater than a predefined value, eg zero, or a certain range of values is located.
  • an operating mode or a transition between two operating modes can be determined by means of a flip-flop circuit.
  • the flip-flop circuit can advantageously be designed in the form of a D flip-flop circuit.
  • the clock input of the D flip-flop circuit can be fed with the control signal generated by the control unit for the switch.
  • the D input of the D flip-flop circuit may be supplied with a signal representing an electrical parameter of the switching regulator circuit.
  • the output of the D flip-flop circuit may be connected to an input of the control unit.
  • the signal at the D input of the D flip-flop circuit can represent the output voltage of the switch of the switching regulator circuit formed as a down converter.
  • the control signal for the switch at the clock input can be delayed in such a way that the propagation times of the switch control are compensated.
  • a comparator can be connected to the D input for detecting the operating mode.
  • the adaptation of the control parameters may preferably be made dependent on the static amplification being greater in a continuous operating mode of the switching regulator circuit than in a discontinuous operating mode.
  • the switch can preferably be clocked by means of a pulse width modulation control by the control unit.
  • an integrated circuit is provided, preferably in the form of a microcontroller, an application specific integrated circuit (ASIC) or a digital signal processor.
  • the integrated circuit is designed to carry out the method.
  • a luminaire is provided.
  • the luminaire has the integrated circuit or the operating circuit.
  • the controller is adaptive in the sense that it has two different sets of control parameters for the continuous conduction mode on the one hand and the borderline / discontinuous conduction mode on the other hand.
  • Control parameters are adjusted based on the operating mode to compensate for the various static gains of the buck converter or the controlled system.
  • the switching regulator circuit or the converter is currently located. This can be done, for example, by determining the current through the inductance or through the LEDs or an electrical variable dependent thereon at the turn-on time point of the switch of the buck converter. In the continuous mode of operation, an LED current flows to the switch-on time of the switch. This is of course not the case in the critical operating mode or in the discontinuous operating mode.
  • the different slopes of the line characteristic of the LED load are taken into account in the scheme.
  • the regulation in the range of high slope of the line characteristic curve can be very stable.
  • the control can also be fast enough for the region of the flat line characteristic.
  • FIGS. 1 shows an operating formwork for light-emitting diodes
  • Fig. 2 shows the regulated current flow through a
  • Light-emitting diode path as a function of a desired dimming value
  • Fig. 3 is a detailed view with respect to
  • Fig. 5 shows an operating formwork for light emitting diodes
  • Fig. 6 shows an operating formwork for light emitting diodes
  • At least one parameter representing the LED voltage is fed back and compared with a desired value. Accordingly, in the case of an LED power control, one or preferably a plurality, preferably a combinatorial one, that is to say by reference to a plurality of parameters, reproduces the LED power
  • an operating formwork 21 according to the invention for light-emitting diodes 5, 6 is shown schematically.
  • An operating form according to the present invention comprises a converter for providing an output voltage and an output current for the LEDs 5, 6.
  • the converter can also be referred to as a switching regulator, in which the power supply of the LEDs by means of a periodically operating electronic switch and at least one energy storage, the power supply the light-emitting diodes is ensured.
  • the operating circuit 21 shown in Fig. 1 comprises a switching regulator in the form of a down converter 20.
  • the down converter 20 consists of a switch 1, a diode or rectifier diode 2, an inductor 3 and a capacitor or smoothing capacitor 15.
  • an input voltage VDC is supplied for the operation of at least one light emitting diode 5, 6, the down converter 20, an input voltage VDC is supplied.
  • This input voltage VDC is preferably a DC voltage, but may alternatively be an AC voltage or a rectified AC voltage.
  • the input voltage VDC feeds a first input of the switch 1, which may be configured, for example, as a field-effect transistor (FET) or semiconductor power switch, in particular MOSFET.
  • the switch 1 is switched on or off via a control input, preferably by means of a PWM signal VG.
  • the output of the switch 1 is connected to the cathode of the diode 2.
  • the diode 2 is connected to ground on the anode side.
  • the inductance 3 is connected.
  • the capacitor 15 is connected between ground or shunt resistor and the other terminal of the inductor 3.
  • the role of the aforementioned energy storage takes over the inductance 3, in which the switch 1 in the on state generates an output voltage VM, which is greater than the output voltage VOUT of the down converter 20.
  • the switch-on phase of the switch 1 thus the current through the inductance third
  • the switch is switched off. This causes the output voltage VM of the switch to drop.
  • At the inductance 3 is now a negative Voltage so that the current through this inductance 3 linearly drops again and the stored electrical energy is passed to the LEDs 5, 6.
  • At the output of the down converter 20 is a series circuit of an inductor 4 and at least one light emitting diode 5, 6 is provided.
  • the series circuit of inductance 4 and light-emitting diodes 5, 6 is connected in parallel with the capacitor 15.
  • the inductor 4 forms an output filter together with the capacitor 15.
  • a plurality of light-emitting diodes 5, 6 are connected in series.
  • the operating circuit 21 can be used for only one light-emitting diode.
  • the LEDs can also be connected in parallel.
  • the light-emitting diodes can also be arranged according to a serial and parallel connection.
  • the light-emitting diodes can be OLEDs.
  • it may be, for example, monochromatic light-emitting diodes, dye-converted white light-emitting diodes and / or RGB light-emitting diode modules. In the case of the latter, it is particularly advantageous if each luminous color is arranged in a separate light-emitting diode path ("light-emitting diode channel").
  • an operating circuit according to the invention may e.g. also include an up-converter (not shown).
  • an up-converter not shown.
  • Buck converter produces at its output a lower one with respect to the DC input voltage VDC
  • the shunt resistor 13 is preferably followed by a low-pass filter.
  • the low-pass filter is formed in the form of an RC filter consisting of a resistor 12 and a capacitor 11. Because of the low-pass character of the RC filter performs the
  • control unit 10 is returned an average value of the current through the LEDs 5, 6.
  • the signal at the measuring input 17 can also reproduce the instantaneous value of the current through the light-emitting diodes 5, 6.
  • the control unit 10 may preferably internally cause the averaging of the light-emitting diode current.
  • the control unit 10 is designed to control the timing of the switch 1, for example in the form of PWM-modulated as a control variable of the control of the light-emitting diode power or pulse width modulated signals at the output 19 pretend.
  • At least the current flowing through the light-emitting diode path 5, 6 is measured. This measurement takes place at the input 17.
  • This light-emitting diode current can be measured at any point in the light-emitting diode current path. As shown in Fig. 1, the light-emitting diode current can be measured in particular with the measuring resistor 13 and then preferably averaged.
  • each light-emitting diode path is controlled via its own feedback signal, which reproduces, for example, the current flowing in the light-emitting diode path.
  • a dimming value supplied externally via the input 22 of the control unit 10 can be used. It may, for example, be an analogue dimming via amplitude change. Alternatively, a digital dimming value can be taken into account, which is transmitted, for example, via a digital data bus (see Fig. 7).
  • the operating circuit according to the invention is an adjustable current source, for example from 1% to 100% for various light-emitting diode loads, for example from 14V to 44V.
  • the down converter 20 is preferably controlled via a designed as a microcontroller control unit 10 by means of PWM.
  • a constant RF PWM frequency of, for example, 100 kHz is selected so that the output filter can be optimally dimensioned to reduce the Stromrippeis. This has the consequence that the down converter 20 operates in continuous, in the critical or in the discontinuous operating mode, depending on the operating point.
  • the light-emitting diode current is preferably kept constant with a digital PI controller in the control unit 10 or in the microcontroller at a desired current level. Up to about 10% light-emitting diode current is preferably dimmed continuously analog. Thereafter, the light-emitting diode current is reduced to 1% with a NF-PWM of e.g. 312Hz to keep the effective LED current at a minimum of 10%. Thus, larger Farbortverschiebitch can be avoided and occur to 10% LED current no disturbing stroboscopic effects.
  • the regulated current flow through the light-emitting diode path is shown in FIG. 2.
  • the dimming value or the pulse duty factor of the PWM signal is shown along the X-axis and the light-emitting diode current along the Y-axis. Shown is the current plotted over the switch-on time of the switch 1 of the buck converter 20.
  • the different characteristics Kl, K2, K3, K4, K5, K6 refer to different loads.
  • the characteristic curve of the load has, in particular, two sections with different slopes.
  • the converter may be in Continuous Conduction Mode or in Borderline Conductive Mode.
  • the frequency of the control of the switch 1 preferably remains constant in the high-frequency range.
  • the controller can be improved so that it has different control parameter sets depending on the state of the converter.
  • the control parameter sets are particularly adapted to these respective very different track characteristics. Different control parameter sets are provided for different operating modes of the converter.
  • the adjustment of the control parameters can be carried out in a known manner depending on the static gain ks.
  • the static gain ks corresponds to the slope of the characteristic curves shown in FIG.
  • the static gain ks increases extremely with higher light-emitting diode currents. Before this climb, there is even a very flat spot with extremely small gain. This behavior is caused by the transition from the continuous mode of operation in the discontinuous mode of operation and is technically disadvantageous.
  • the inventive solution depending on the operating state of the switching regulator circuit to adjust the control parameters, ensures that the controller can still work stably on the one hand in continuous mode at the largest static gains and in particular at a duty cycle in the vicinity of 100%.
  • the control parameters can also be adjusted separately in the discontinuous mode, so that the control is no longer sluggish.
  • this adaptation means that even in the discontinuous operating mode and at lower currents, rapid adjustment to the desired value takes place.
  • Another advantage is that the ripple of the characteristic curves is no longer visible in the lower current range.
  • the adaptive controller according to the invention will adjust its parameters depending on the operating point. For this purpose, it should be recognized when the transition between the discontinuous and the continuous mode of operation is present, since in this transition, a large change in the static gain ks has been recognized. However, this point is very different depending on the light-emitting diode load and component tolerances and makes a switching of the controller, for example by means of current measurement and / or duty cycle rather inaccurate.
  • FIG. 3 shows a detailed view of the current flow through the light-emitting diode path in the continuous operating mode of the operating circuit. The course of the control signal VG for the switch 1 and the voltage VM at the output of the switch 1 are also shown.
  • the voltage VM assumes a positive value and the current through the inductance IL rises linear. If the control signal VG assumes the value zero, the voltage VM drops approximately to the value -0.7 V. During this freewheeling phase F or blocking phase, the current through the inductance 3 decreases linearly, but does not return to zero.
  • the switch 1 is subsequently switched on, the voltage VM assumes the positive value in pulses.
  • the current profile through the light-emitting diode path in the discontinuous operating mode of the operating circuit In the freewheeling phase F, the current through the inductance 3 decreases to zero. At the moment when the current through the inductance becomes zero, the voltage VM jumps to the value VOUT. It forms a resonant circuit, which is excited by the voltage jump on the diode 2. The voltage VM evolves according to a decaying vibration by a positive value.
  • a D flip-flop circuit 9 is provided, which is clocked with the positive drive edge of the control signal VG.
  • the clock input of the flip-flop circuit is connected to the control signal VG generated by the control unit 10 for the switch 1.
  • the data or D input of the D flip-flop formwork 9 is connected via a voltage divider 7, 8 to the center VM of the buck converter.
  • the output of the D flip-flop formwork 9 is connected to an input 18 of the control unit 10.
  • the detection of the operation mode is implemented by means of the D flip-flop 9, which is clocked in synchronism with the timing of the down-converter switch 1.
  • the D input of the D flip-flop is supplied with a signal representing the bridge voltage VM.
  • a diode 16 may be provided at the D input of the D flip-flop form 9.
  • the anode of the diode is connected to the center of the consisting of two resistors 7, 8 voltage divider.
  • the anode of the diode 16 is connected to the D input of the D flip-flop formwork 9.
  • the cathode of the diode 16 is connected to a positive voltage VCC. At the output of the flip-flop 9, the current operating mode is always output.
  • the output of the flip-flop circuit 9 thus assumes the logic state 0 which is detected by the control unit 10.
  • This closes to the continuous mode of operation and takes into account for the light-emitting diode control according to the invention provided for this operation corresponding control parameters.
  • These control parameters are adapted to the high static amplification of the continuous operating mode.
  • the voltage VM when driving the switch 1 is no longer at about -0.7 V. This voltage VM is much greater than the required 1 level voltage of the D input at startup.
  • the output of the flip-flop thus outputs the logic state 1.
  • the control unit concludes with a discontinuous operating mode and adjusts the control parameters accordingly.
  • control unit 10 can now adjust the parameters of the controller, so as to compensate for the various static gains of the controlled system.
  • a delay (e.g., RC) may be incorporated (not shown) to compensate for the drive times of the switch driver.
  • FIG. 5 is a detail of a modification of the circuit shown in Fig. 1 is shown.
  • the only difference with the circuit of FIG. 1 is a comparator 50, which is connected in front of the D input of the flip-flop 9.
  • a comparator 50 By setting a reference value VREF, which is compared with the signal from the voltage divider 7, 8, thus the detection of the one or the other operating mode by the control unit 10 can be determined more accurately.
  • the comparator can be advantageous in particular for a lower switching level or if the voltage gradient of the voltage VM is too small.
  • FIG. 6 shows another embodiment of an operating circuit 51 according to the present invention.
  • Components that are identical to components shown in FIG. 1 are provided with identical reference numerals, so that a repetition of the description of these components can be dispensed with.
  • the down converter 54 corresponds to the down converter 20 shown in Fig. 1, with the difference that now a secondary winding 52 is provided.
  • This secondary winding 52 is magnetically coupled to the inductor 3 of the buck converter 20.
  • the voltage at the secondary winding 52 is supplied to an input 53 of the control unit 10.
  • the voltage applied to the secondary winding 52 and measured by the control unit 10 is proportional to the voltage VM-VOUT of the inductance 3, the voltage VOUT preferably being constant. Namely, the voltages at the secondary winding 52 and at the inductance 3 behave as each other as the number of turns of the two electrical components.
  • this voltage applied to the inductance according to FIG. 1 can be supplied to a D flip-flop circuit 9, the output of the D flip-flop circuit 9 indicating the operating state of the
  • the illumination system 60 preferably comprises an operating circuit 64 for light-emitting diodes 5, 6.
  • the operating circuit 64 has a down converter 20 after the first shown in FIG Embodiment on.
  • a down converter 54 may be provided after the further embodiment shown in Fig. 6.
  • the down converter 20 is connected downstream of an AC-DC converter 61, which converts an AC voltage VIN provided by a power network 62 into a rectified voltage or into a DC voltage.
  • the buck converter 20 may also be powered by an AC voltage.
  • the control unit 10 can be transmitted via the input 22 dimming. These dimming values may be transmitted over a data bus 63 e.g. from a central unit (not shown). Preferably, the control unit 10 via the data bus 63 itself also data, e.g. Regarding the scheme send back to the central unit. For control purposes, feedback variables from the area of the operating circuit 64 are made available to the control unit. Depending on the mode of operation of the buck converter 20, the control unit 10 adjusts the control parameters as described above. The various control parameter sets can be transmitted to the control unit 10, for example via the data bus.
  • control algorithm can be implemented analog or digital. Particularly in the case of digital implementation, the change in the properties of the control loop preferably takes place by changing the parameter of the digitally implemented control. Meanwhile, the

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

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode (5, 6) mittels einer vorzugsweise als Abwärtswandler ausgebildeten Schaltreglerschaltung (20), der eine Eingangsspannung (VDC) zugeführt wird, und die mittels mindestens einem durch eine Steuereinheit (10) getakteten Schalter (1) eine Ausgangsspannung (VOUT) zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (5, 6) mit zumindest im zeitlichen Mittel konstant geregeltem Strom bereitstellt, wobei der Sollwert für den LED-Strom zum Dimmen einstellbar ist, wobei die Regelparameter der Regelschleife für den LED-Strom abhängig vom Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung (20) verändert werden.

Description

BETRIEBSSCHALTUNG UND VERFAHREN MIT REGELKREIS -ANPASSUNG, ZUM BETRIEB VON
LEUCHTDIODEN
5
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung und ein Verfahren zum Betrieb von einer oder mehreren Leuchtdioden (LEDs) mittels Schaltreglern zur
Bereitstellung eines Betriebstroms für die LEDs.
10
Zum Betrieb von LEDs ist es grundsätzlich bereits bekannt, eine Betriebsschaltung mit Schaltreglern zu verwenden. Beispielsweise können Schaltregler wie Abwärtswandler oder Tiefsetzsteller (Buck Converter) , Aufwärtswandler oder
15 Hochsetzsteller (Boost Converter), Flyback-Konverter etc. zur Ansteuerung von LEDs benutzt werden. Dabei steuert eine Steuereinheit einen getakteten Halbleiter- Leistungsschalter an, mittels dem in dessen eingeschalteten Zustand eine Induktivität magnetisiert
20 wird, wobei sich die Induktivität im ausgeschalteten Zustand des Schalters dann bspw. über die LEDs entlädt bzw. entmagnetisiert.
Die Steuerung des Schalters kann durch die Steuereinheit 25 via Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgen. Es ist insbesondere bekannt, für das PWM-Steuersignal eine konstante hochfrequente Frequenz in der Grössenordnung von z.B. 100 kHz zu benutzen. Durch die Auswahl eines entsprechenden Tastverhältnisses des PWM-Steuersignals 30 kann dann ein Dimmen der LEDs ermöglicht werden.
Weiterhin ist für einen geregelten Betrieb von LEDs der Einsatz von Betriebsschaltungen bekannt, die eine Regelung bspw. der den LEDs zugeführten Leistung oder des den LEDs zugeführten Stroms unterstützen. Eine derartige Regelung bedarf einer rückgeführten Messgröße, die beispielsweise die an den LEDs abfallende Spannung und/oder den durch die LEDs fließenden Strom direkt oder indirekt wiedergeben kann .
Bei einer Regelung des LED-Stroms wird mittels eines Reglers versucht, den Strom durch die LEDs konstant zu halten. Eine Betriebsschaltung mit einer derartigen Regelung sollte auch für unterschiedliche LED-Lasten einsetzbar sein.
Problematisch bei einer solchen Regelung ist allerdings die Tatsache, dass z.B. je nach LED-Last und je nach Dimmwert das Regelungsverhalten sich ändern kann. Nachteilig hierbei ist bspw. das variierende Verhalten des Reglers in Bezug auf Stabilität und zeitlicher Reaktion. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode sowie ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode bereitzustellen, welche die Regelung des der LED zugeführten Stromes, Spannung oder elektrischen Leistung verbessert, auch wenn unterschiedliche LED-Lasten anschliessbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter. Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode mittels einer bspw. als Abwärtswandler ausgebildeten aktiv getakteten Schaltreglerschaltung, der eine Eingangsspannung zugeführt wird, und die mittels mindestens einem durch eine Steuereinheit getakteten Schalter eine Ausgangsspannung zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode bereitstellt. Der Schaltreglerschaltung wird ein den Strom (oder dessen zeitlichen Mittelwert) durch die LED(s), die Spannung über die LED(s) oder die den LED(s) zugeführte elektrische Leistung direkt oder indirekt wiedergebendes Istwertsignal zurückgeführt, das mit einem Strom, Spannungs- oder Leistungs-Sollwert verglichen wird. Somit wird eine Regelschleife gebildet, dessen Steuergrösse die Taktung des Schalters ist. Die Eigenschaften der Regelschleife sind dabei abhängig vom Betriebsmodus der
Schaltreglerschaltung. Typischerweise ist die Regelung eine Hysterese-Regelung, bei der im Falle einer Stromregelung der LED-Strom zyklisch zwischen zwei Werten schwankt .
Der Regelalgorithmus kann analog oder digital implementiert sein. Insbesondere bei digitaler Implementierung erfolgt die Veränderung der Eigenschaften der Regelschleife vorzugsweise durch Parameteränderung der digital implementierten Regelung. Indessen kann die
Änderung der Eigenschaften auch an anderer Stelle der Regelschleife ausgeführt werden, bspw. durch selektives Schalten eines bspw. Bandpass-Filters in dem Rückführzweig des Istwert-Signals. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Betriebsschaltung vorgesehen für wenigstens eine Leuchtdiode, aufweisend eine Schaltreglerschaltung, der eine Eingangsspannung zugeführt wird, und die mittels mindestens einem durch eine Steuereinheit getakteten Schalter eine Ausgangsspannung (Strom) zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode bereitstellt. Die Regelparameter sind für die Regelung des Ausgangsstroms, der Ausgangsspannung oder der abgegebenen elektrischen Leistung abhängig vom Betriebsmodus der
SchaltregierSchaltung .
Vorteilhafterweise können bei einem Übergang von einem Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung zu einem anderen Betriebsmodus die Regelparameter geändert werden.
Vorteilhafterweise kann der Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung erkannt werden. Abhängig davon können die Regelparameter angepasst werden.
Für unterschiedliche Betriebsmodi können vorteilhafterweise unterschiedliche Regelparametersätze vorgesehen sein. Vorteilhafterweise kann die Schaltreglerschaltung in einem kontinuierlichen und/oder in einem diskontinuierlichen Modus betrieben werden. Für jeden dieser Betriebsmodi kann ein jeweiliger Regelparametersatz vorgesehen werden. Der diskontinuierliche Betriebsmodus kann dadurch erkannt werden, dass bei ausgeschaltetem Schalter eine Umkehr bzw. ein Steigen der Ausgangsspannung des Schalters ermittelt wird. Alternativ kann der diskontinuierliche Betriebsmodus dadurch erkannt werden, dass bei ausgeschaltetem Schalter eine Umkehr bzw. ein Steigen der an einer dem Schalter nachgeschalteten Diode abfallenden Spannung ermittelt wird. Alternativ kann der diskontinuierliche Betriebsmodus dadurch erkannt werden, dass bei ausgeschaltetem Schalter eine Umkehr bzw. ein Steigen der an einem Energiespeicher der Schaltreglerschaltung abfallenden Spannung ermittelt wird . Der diskontinuierliche Betriebsmodus kann des Weiteren dadurch erkannt werden, dass beim Einschalten des Schalters die Ausgangsspannung des Schalters oder die an einer dem Schalter nachgeschalteten Diode abfallende Spannung oder die an einem Energiespeicher der Schaltreglerschaltung abfallenden Spannung größer als ein vordefinierter Wert, z.B. Null, ist oder in einem bestimmten Wertebereich sich befindet.
Bevorzugt kann ein Betriebsmodus bzw. ein Übergang zwischen zwei Betriebsmodi mittels einer Flipflopschaltung ermittelt werden.
Die Flipflopschaltung kann vorteilhafterweise in Form einer D-Flipflopschaltung ausgestaltet sein. Der Clock- Eingang der D-Flipflopschaltung kann mit dem von der Steuereinheit generierten Steuersignal für den Schalter gespeist werden. Der D-Eingang der D-Flipflopschaltung kann mit einem Signal, das einen elektrischen Parameter der Schaltreglerschaltung abbildet, gespeist werden. Der Ausgang der D-Flipflopschaltung kann mit einem Eingang der Steuereinheit verbunden sein. Vorzugsweise kann das Signal am D-Eingang der D- Flipflopschaltung die Ausgangsspannung des Schalters der als Abwärtswandler ausgebildeten Schaltreglerschaltung wiedergeben .
Das Steuersignal für den Schalter am Clock-Eingang kann derart verzögert werden, dass die Laufzeiten der Schalter- Ansteuerung kompensier werden. Vorteilhafterweise kann zur Erkennung des Betriebsmodus ein Komparator am D-Eingang geschaltet sein.
Die Anpassung der Regelparameter kann bevorzugt davon abhängig gemacht werden, dass in einem kontinuierlichen Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung die statische Verstärkung größer ist als in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus .
Der Schalter kann vorzugsweise mittels einer Pulsweitenmodulation-Ansteuerung von der Steuereinheit getaktet werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine integrierte Schaltung vorgesehen, vorzugsweise in Form eines MikroControllers , einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder eines digitalen Signalprozessors. Die integrierte Schaltung ist zur Durchführung des Verfahrens ausgestaltet. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Leuchte vorgesehen. Die Leuchte weist die integrierte Schaltung oder die Betriebsschaltung auf. Gemäß einem Gedanken der Erfindung ist der Regler adaptiv in dem Sinne, dass er für den kontinuierlichen Betriebsmodus (Continuous Conduction Mode) einerseits und den kritischen/diskontinuierlichen Betriebsmodus (Borderline/Discontinuous Conduction Mode) andererseits zwei unterschiedliche Regelparametersätze aufweist.
Es werden Regelparameter anhand des Betriebsmodus angepasst, um die verschiedenen statischen Verstärkungen des Abwärtswandlers bzw. der Regelstrecke zu kompensieren.
Um die Umstellung der Regelparameter ausführen zu können, wird vorzugsweise ermittelt, in welchem Zustand sich die Schaltreglerschaltung bzw. der Konverter gerade befindet. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zum EinschaltZeitpunkt des Schalters des Abwärtswandlers der Strom durch die Induktivität bzw. durch die LEDs oder eine davon abhängige elektrische Größe ermittelt wird. Im kontinuierlichen Betriebsmodus fließt ein LED-Strom zum EinschaltZeitpunkt des Schalters. Dies ist natürlich beim kritischen Betriebsmodus bzw. beim diskontinuierlichen Betriebsmodus nicht der Fall.
Vorteil der Erfindung ist es, dass die unterschiedlichen Steigungen der Streckenkennlinie der LED-Last bei der Regelung berücksichtigt werden. Einerseits kann die Regelung im Bereich hoher Steigung der Streckenkennlinie sehr stabil sein. Andererseits kann die Regelung auch für den Bereich der flach verlaufenden Streckenkennlinie schnell genug sein.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Hierbei zeigt Fig. 1 eine Betriebsschalung für Leuchtdioden
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 den geregelten Stromverlauf durch eine
Leuchtdiodenstrecke in Abhängigkeit von einem gewünschten Dimmwert,
Fig. 3 eine detaillierte Ansicht bezüglich des
Stromverlaufs durch die Leuchtdiodenstrecke in einem ersten Betriebsmodus der
BetriebsSchaltung,
Fig. 4 eine detaillierte Ansicht bezüglich des
Stromverlaufs durch die Leuchtdiodenstrecke in einem zweiten Betriebsmodus der
BetriebsSchaltung,
Fig. 5 eine Betriebsschalung für Leuchtdioden
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Betriebsschalung für Leuchtdioden
gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 7 ein Beleuchtungssystem gemäß der
vorliegenden Erfindung. Anmerkung: Auch wenn im Folgenden die Erfindung anhand einer Stromregelung erläutert werden wird, ist zu verstehen, dass sich die Erfindung ebenso auf eine Spannungsregelung oder eine Leistungsregelung anwenden lässt.
Bei einer Spannungsregelung wird wenigstens ein die LED- Spannung wiedergebender Parameter zurückgeführt und mit einem Sollwert verglichen. Entsprechend wird bei einer LED-Leistungsregelung ein oder vorzugsweise mehrere, bevorzugt kombinatorisch, also durch Inbezugsetzen mehrerer Parameter, die LED-Leistung wiedergebende
Parameter zurückgeführt und dann mit einem Sollwert verglichen .
In Fig. 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betriebsschalung 21 für Leuchtdioden 5, 6 gezeigt. Eine Betriebsschalung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Konverter zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms für die Leuchtdioden 5, 6. Der Konverter kann auch als Schaltregler bezeichnet werden, in dem die Stromversorgung der Leuchtdioden mittels eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und mindestens eines Energiespeichers die Stromversorgung der Leuchtdioden gewährleistet wird. Die in Fig. 1 gezeigte Betriebsschaltung 21 umfasst einen Schaltregler in Form eines Abwärtswandlers 20. Der Abwärtswandler 20 besteht aus einem Schalter 1, einer Diode bzw. Gleichrichterdiode 2, einer Induktivität 3 und einem Kondensator bzw. Glättungskondensator 15. Für den Betrieb zumindest einer Leuchtdiode 5, 6 wird dem Abwärtswandler 20 eine Eingangsspannung VDC zugeführt. Diese Eingangsspannung VDC ist vorzugsweise eine Gleichspannung, kann aber alternativ auch eine Wechselspannung bzw. eine gleichgerichtete Wechselspannung sein .
Die Eingangsspannung VDC speist einen ersten Eingang des Schalters 1, der bspw. als Feldeffekttransistor (FET) oder Halbleiter-Leistungsschalter insbesondere MOSFET ausgestaltet sein kann. Der Schalter 1 wird über einen Steuereingang vorzugsweise mittels eines PWM-Signals VG ein- bzw. ausgeschaltet. Der Ausgang des Schalters 1 ist mit der Kathode der Diode 2 verbunden. Die Diode 2 ist anodenseitig an Masse angeschlossen. Am Verbindungspunkt vom Ausgang des Schalters 1 und von der Kathode der Diode 2 ist die Induktivität 3 geschaltet. Der Kondensator 15 ist zwischen Masse oder Shuntwiderstand und dem anderen Anschluss der Induktivität 3 angeschlossen.
Die Rolle des zuvor erwähnten Energiespeichers übernimmt die Induktivität 3, in dem der Schalter 1 im eingeschalteten Zustand eine ausgangsseitige Spannung VM generiert, die größer ist als die Ausgangsspannung VOUT des Abwärtswandlers 20. Während der Einschaltphase des Schalters 1 steigt somit der Strom durch die Induktivität 3. Während einer darauffolgenden Freilaufphase bzw. Sperrphase wird der Schalter ausgeschaltet. Dies führt dazu, dass die Ausgangsspannung VM des Schalters absinkt. An der Induktivität 3 liegt nunmehr eine negative Spannung, so dass der Strom durch diese Induktivität 3 linear wieder abfällt und die gespeicherte elektrische Energie zu den Leuchtdioden 5, 6 weitergegeben wird. Am Ausgang des Abwärtswandlers 20 ist eine Serienschaltung aus einer Induktivität 4 und mindestens einer Leuchtdiode 5, 6 vorgesehen. Die Serienschaltung aus Induktivität 4 und Leuchtdioden 5, 6 ist parallel zum Kondensator 15 geschaltet. Die Induktivität 4 bildet zusammen mit dem Kondensator 15 einen Ausgangsfilter.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist eine Mehrzahl von Leuchtdioden 5, 6 in Serie geschaltet. Alternativ kann die Betriebsschaltung 21 für lediglich eine Leuchtdiode eingesetzt werden. Alternativ können die Leuchtdioden auch parallel geschaltet sein. Vorzugsweise können die Leuchtdioden auch gemäß einer Seriell- und Parallelschaltung angeordnet sein. Die Leuchtdioden können OLEDs sein. Weiterhin kann es sich bspw. um monochromatische Leuchtdioden, Farbstoff-konvertierte weiße Leuchtdioden und/oder um RGB-Leuchtdioden-Module handeln. Bei letzteren ist es besonders vorteilhaft, wenn jede Leuchtfarbe in einer separaten Leuchtdioden-Strecke („Leuchtdioden-Kanal") angeordnet ist.
Als Alternative zum Abwärtswandler 20 kann eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung z.B. auch ein Aufwärtswandler (nicht gezeigt) umfassen. Der
Abwärtswandler erzeugt an seinem Ausgang eine in Bezug auf die Eingangs-Gleichspannung VDC niedrigere
Ausgangsspannung VOUT. Mit einem Aufwärtswandler wird dagegen eine höhere Ausgangsspannung VOUT generiert. Am Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 15 und den Leuchtdioden 5, 6 ist ein Shunt-Widerstand oder Mess- Widerstand 13 angeschlossen. Der andere Anschlusspunkt des Shunt-Widerstands 13 ist mit Masse verbunden. Die am Shunt-Widerstand 13 abfallende Spannung ist eine Messgröße für den durch die Leuchtdioden fließenden Gesamtstrom.
Dem Shunt-Widerstand 13 ist vorzugsweise ein Tiefpassfilter nachgeschaltet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Tiefpassfilter in Form eines aus einem Widerstand 12 und einem Kondensator 11 bestehenden RC-Filters gebildet. Wegen des Tiefpasscharakters des RC-Filters führt die
Reihenschaltung aus dem Mess-Widerstand 13 und dem RC- Filter dazu, dass am Ausgang des RC-Filters der Mittelwert der am Mess-Widerstand 13 abfallenden Spannung gebildet wird. Der Ausgang des RC-Filters wird einem Mess-Eingang 17 der Steuereinheit 10 zugeführt, so dass der Steuereinheit 10 ein Istwert für den Strom durch die Leuchtdioden zur Verfügung steht.
Vorzugsweise wird der Steuereinheit 10 ein Mittelwert des Stroms durch die Leuchtdioden 5, 6 zurückgeführt. Alternativ kann das Signal am Mess-Eingang 17 auch den augenblicklichen Wert des Stroms durch die Leuchtdioden 5, 6 wiedergeben. In diesem Fall kann die Steuereinheit 10 vorzugsweise intern die Mittelung des Leuchtdioden-Stroms veranlassen . Die Steuereinheit 10 ist dazu ausgelegt, als Stellgröße der Regelung der Leuchtdioden-Leistung die Taktung des Schalters 1 beispielsweise in Form von PWM-modulierten bzw. pulsweitenmodulierten Signalen am Ausgang 19 vorzugeben .
Als Rückführsignal, auf das geregelt wird (und das bspw. mit einem Sollwert verglichen wird) , wird zumindest der Strom gemessen, der durch die Leuchtdioden-Strecke 5, 6 fließt. Diese Messung erfolgt am Eingang 17. Dieser Leuchtdioden-Strom kann dabei an einer beliebigen Stelle im Leuchtdioden-Strompfad gemessen werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann der Leuchtdioden-Strom insbesondere mit dem Messwiderstand 13 gemessen und anschließend vorzugsweise gemittelt werden.
Falls mehrere parallele Leuchtdioden-Strecken angeordnet sind (nicht gezeigt), ist es vorteilhaft, wenn jede Leuchtdioden-Strecke über ein eigenes Rückführsignal, das beispielsweise den in der Leuchtdioden-Strecke fließenden Strom wiedergibt, geregelt wird. Als Sollwert für die Regelung kann ein über den Eingang 22 der Steuereinheit 10 extern zugeführter Dimmwert dienen. Es kann sich bspw. um ein analoges Dimmen über Amplitudenveränderung handeln. Alternativ kann ein digitaler Dimmwert berücksichtigt werden, der bspw. über einen digitalen Daten-Bus (s. Fig. 7) übermittelt wird.
Die erfindungsgemäße Betriebsschaltung ist eine einstellbare Stromquelle z.B. von 1% bis 100% für verschiedene Leuchtdioden-Lasten z.B. von 14V bis 44V. Der Abwärtswandler 20 wird vorzugsweise über eine als Mikrokontroller ausgebildete Steuereinheit 10 mittels PWM angesteuert. Vorzugsweise wird eine konstante HF-PWM- Frequenz von z.B. 100kHz gewählt, damit der Ausgangsfilter zur Reduktion des Stromrippeis optimal dimensioniert werden kann. Dies hat zur Folge, dass der Abwärtswandler 20 je nach Arbeitspunkt im kontinuierlichen, im kritischen oder im diskontinuierlichen Betriebsmodus arbeitet.
Der Leuchtdioden-Strom wird vorzugsweise mit einem digitalen PI-Regler in der Steuereinheit 10 bzw. im Mikrokontroller auf einem gewünschten Stromlevel konstant gehalten. Bis ca. 10% Leuchtdioden-Strom wird vorzugsweise kontinuierlich analog gedimmt . Danach wird der Leuchtdioden-Strom bis auf 1% mit einer NF-PWM von z.B. 312Hz moduliert, um den effektiven Leuchtdioden-Strom bei minimal 10% zu halten. Somit können größere Farbortverschiebungen vermieden werden und es treten bis 10% LED-Strom keine störenden Stroboskopeffekte auf.
Der geregelte Stromverlauf durch die Leuchtdioden-Strecke ist in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 ist hierfür entlang der X-Achse der Dimmwert bzw. das Tastverhältnis des PWM- Signals dargestellt und entlang der Y-Achse der Leuchtdioden-Strom. Dargestellt ist der Strom aufgetragen über die EinschaltZeitdauer des Schalters 1 des Abwärtswandler 20. Die unterschiedlichen Kennlinien Kl, K2, K3, K4, K5, K6 beziehen sich auf unterschiedliche Lasten.
Es wird gezeigt, dass abhängig vom Dimmgrad, der bspw. bei einem analogen Dimmen über Amplitudenveränderung bestimmt wird, und der Last die Kennlinie der Last insbesondere zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Steigungen aufweist.
Z.B. bei der Kennlinie K4 sind zwei Bereiche mit unterschiedlichen Steigungen erkennbar. In einem ersten Bereich Bl ist die Steigung flacher als in einem zweiten Bereich B2. Das Tastverhältnis ist im zweiten Bereich B2 größer als im ersten Bereich Bl . Diese zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Steigungen spiegeln insbesondere wieder, dass abhängig von dem Dimmgrad und der Leuchtdioden-Last sich der Wandler im kontinuierlichen Betriebsmodus (Continuous Conduction Mode) oder im kritischen bzw. diskontinuierlichen Betriebsmodus (Borderline bzw. Discontinuous Conduction Mode) befinden kann. Die Frequenz der Steuerung des Schalters 1 bleibt dabei vorzugsweise konstant im hochfrequenten Bereich.
Hinsichtlich der Regelungseigenschaften, insbesondere der Zeitkonstanten der Regelung, kann der Regler dahingehend verbessert werden, dass er abhängig vom Zustand des Wandlers unterschiedliche Regelparametersätze aufweist. Die Regelparametersätze sind insbesondere auf diese jeweiligen sehr unterschiedlichen Streckencharakteristiken angepasst. Unterschiedliche Regelparametersätze sind für unterschiedliche Betriebsmodi des Wandlers vorgesehen.
Die Anpassung der Regelparameter kann in bekannter Weise abhängig von der statischen Verstärkung ks durchgeführt werden. Die statische Verstärkung ks entspricht der Steigung der in Fig. 2 gezeigten Kennlinien.
Wie in Fig. 2 ersichtlich, nimmt die statische Verstärkung ks bei höheren Leuchtdioden-Strömen extrem zu. Vor diesem Anstieg gibt es sogar noch eine sehr flache Stelle mit extrem kleiner Verstärkung. Dieses Verhalten wird durch den Übergang vom kontinuierlichen Betriebsmodus in den diskontinuierlichen Betriebsmodus hervorgerufen und ist regelungstechnisch nachteilig. Die erfindungsgemäße Lösung, abhängig vom Betriebszustand der Schaltreglerschaltung die Regelparameter anzupassen, sorgt dafür, dass der Regler einerseits im kontinuierlichen Modus bei den größten statischen Verstärkungen und insbesondere bei einem Tastverhältnis in der Nähe von 100% noch stabil arbeiten kann. Andererseits können die Regelparameter auch im diskontinuierlichen Modus separat angepasst werden, so dass die Regelung nicht mehr träge ist. Im Gegenteil führt diese Anpassung dazu, dass auch im diskontinuierlichen Betriebsmodus und bei niedrigeren Strömen ein schnelles Einregeln auf den Sollwert stattfindet. Ein Vorteil ist weiterhin, dass die Welligkeit der Kennlinien im unteren Strombereich nicht mehr sichtbar ist.
Durch die Anpassung der Regelparameter je nach Betriebsmodus sind eine sehr stabile Regelung im Bereich hoher Steigung der Streckenkennlinie und andererseits eine schnelle Regelung für den Bereich der flach verlaufenden Streckenkennlinie möglich.
Der erfindungsgemäße adaptive Regler wird je nach Arbeitspunkt seine Parameter anpassen. Dazu soll erkannt werden, wann der Übergang zwischen dem diskontinuierlichen und dem kontinuierlichen Betriebsmodus vorliegt, da bei diesem Übergang eine große Änderung in der statischen Verstärkung ks erkannt worden ist. Dieser Punkt ist aber je nach Leuchtdioden-Last und Bauteiltoleranzen sehr unterschiedlich und macht eine Umschaltung des Reglers z.B. mittels Strommessung und/oder Tastverhältnis eher ungenau . Fig. 3 zeigt eine detaillierte Ansicht bezüglich des Stromverlaufs durch die Leuchtdioden-Strecke im kontinuierlichen Betriebsmodus der Betriebsschaltung. Gezeigt sind außerdem der Verlauf des Steuersignals VG für den Schalter 1 und der Spannung VM am Ausgang des Schalters 1. In der durch das Steuersignal VG definierten Einschaltphase E des Schalters 1 nimmt die Spannung VM einen positiven Wert an und der Strom durch die Induktivität IL steigt linear. Nimmt das Steuersignal VG den Wert Null an, so sinkt die Spannung VM ca. auf den Wert -0,7 V. Während dieser Freilaufphase F bzw. Sperrphase sinkt der Strom durch die Induktivität 3 linear ab, geht aber nicht auf null zurück. Beim darauffolgenden Einschalten des Schalters 1 nimmt die Spannung VM impulsartig wieder den positiven Wert an.
Fig. 4 zeigt den Stromverlaufs durch die Leuchtdioden- Strecke im diskontinuierlichen Betriebsmodus der Betriebsschaltung. In der Freilaufphase F sinkt der Strom durch die Induktivität 3 zu Null. In dem Moment, in dem der Strom durch die Induktivität Null wird, springt die Spannung VM auf den Wert VOUT . Es bildet sich ein Schwingkreis, der durch den Spannungssprung an der Diode 2 angeregt wird. Die Spannung VM entwickelt sich gemäß einer abklingenden Schwingung um einen positiven Wert.
Mit dem Ansteuerungssignal VG und der Spannung VM wird erfindungsgemäß der Betriebsmodus detektiert. Hierzu ist eine D-Flipflopschalung 9 vorgesehen, welche mit der positiven Ansteuerungsflanke des Steuersignals VG getaktet wird. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Clock-Eingang der Flipflopschaltung mit dem von der Steuereinheit 10 generierten Steuersignal VG für den Schalter 1 verbunden. Der Daten- bzw. D-Eingang der D-Flipflopschalung 9 ist über einen Spannungsteiler 7, 8 mit dem Mittelpunkt VM des Abwärtswandlers verbunden. Der Ausgang der D- Flipflopschalung 9 ist mit einem Eingang 18 der Steuereinheit 10 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Erfassung des Betriebsmodus mittels des D-Flipflops 9 implementiert, das synchron zu der Taktung des Abwärtswandlers-Schalters 1 getaktet ist. Dem D-Eingang des D-Flipflops wird ein Signal zugeführt, das die Brückenspannung VM wiedergibt.
Optional kann am D-Eingang der D-Flipflopschalung 9 eine Diode 16 vorgesehen sein. Die Anode der Diode ist mit dem Mittelpunkt des aus zwei Widerständen 7, 8 bestehenden Spannungsteilers verbunden. Die Anode der Diode 16 ist am D-Eingang der D-Flipflopschalung 9 geschaltet. Die Kathode der Diode 16 ist mit einer positiven Spannung VCC verbunden. Am Ausgang des Flipflops 9 wird immer der aktuelle Betriebsmodus ausgegeben.
Die Erkennung des Betriebsmodus erfolgt mittels der D- Flipflopschalung 9. Bei einer positiven Ansteuerungsflanke des Steuersignals VG und im kontinuierlichen Betrieb hat die Spannung VM den Wert Null bzw. -0,7 V. Der Ausgang der Flipflopschaltung 9 nimmt somit den logischen Zustand 0 an, was von der Steuereinheit 10 erfasst wird. Diese schließt wiederum auf den kontinuierlichen Betriebsmodus und berücksichtigt für die Leuchtdioden-Regelung erfindungsgemäß die für diesen Betrieb entsprechend vorgesehenen Regelparameter. Diese Regelparameter sind an die hohe statische Verstärkung des kontinuierlichen Betriebsmodus angepasst. Im diskontinuierlichen Betriebsmodus hingegen liegt die Spannung VM beim Ansteuern des Schalters 1 nicht mehr bei ca. -0,7 V. Diese Spannung VM ist im Einschaltmoment vielmehr grösser als die benötigte 1 Pegel-Spannung des D- Eingangs. Der Ausgang des Flipflops gibt somit den logischen Zustand 1 aus. Die Steuereinheit schließt somit auf einen diskontinuierlichen Betriebsmodus und passt die Regelparameter entsprechend an.
Anhand des Ausgangssignals des Flipflops 9 kann nun die Steuereinheit 10 die Parameter des Reglers anpassen, um so die verschiedenen statischen Verstärkungen der Regelstrecke zu kompensieren.
Vorteilhafterweise kann am Clock-Eingang der
Flipflopschaltung 9 eine Verzögerung (z.B. RC) eingebaut werden (nicht gezeigt) , um die Laufzeiten der Schalter- Ansteuerung zu kompensieren.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt einer Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Schaltung dargestellt. Der einzige Unterschied zur Schaltung von Fig. 1 ist ein Komparator 50, der vor dem D-Eingang des Flipflops 9 geschaltet ist. Durch Einstellung eines Referenzwertes VREF, der mit dem Signal aus dem Spannungsteiler 7, 8 verglichen wird, kann somit die Erkennung des einen oder des anderen Betriebsmodus durch die Steuereinheit 10 exakter bestimmt werden. Der Komparator kann insbesondere für einen tieferen Schaltlevel oder bei zu kleinen Spannungsgradienten der Spannung VM vorteilhaft sein. Die Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Betriebsschaltung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung. Bauteile, die mit auf Fig. 1 gezeigten Bauteilen identisch sind, sind mit identischen Bezugszeichen versehen, so dass auf eine Wiederholung der Beschreibung dieser Bauteile verzichtet werden kann.
Der Abwärtswandler 54 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Abwärtswandler 20, mit dem Unterschied, dass nunmehr eine Sekundärwicklung 52 vorgesehen ist. Diese Sekundärwicklung 52 ist mit der Induktivität 3 des Abwärtswandlers 20 magnetisch gekoppelt. Die Spannung an der Sekundärwicklung 52 wird einem Eingang 53 der Steuereinheit 10 zugeführt. Die an der Sekundärwicklung 52 anliegende, und von der Steuereinheit 10 gemessene Spannung ist proportional zur Spannung VM-VOUT der Induktivität 3, wobei die Spannung VOUT vorzugsweise konstant ist. Die Spannungen an der Sekundärwicklung 52 und an der Induktivität 3 verhalten sich nämlich so zueinander wie die Windungszahlen der beiden elektrischen Bauelemente.
Optional kann diese an der Induktivität anliegende Spannung gemäß Fig. 1 einer D-Flipflopschaltung 9 zugeführt werden, wobei der Ausgang der D- Flipflopschaltung 9 den Betriebszustand des
Abwärtswandlers 20 wiedergibt.
In Fig. 7 ist ein Beleuchtungssystem 60 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Beleuchtungssystem 60 umfasst vorzugsweise eine Betriebsschaltung 64 für Leuchtdioden 5, 6. Die Betriebsschaltung 64 weist einen Abwärtswandler 20 nach dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel auf. Alternativ kann auch z.B. ein Abwärtswandler 54 nach dem in Fig. 6 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen sein. Der Abwärtswandler 20 ist einem AC-DC Wandler 61 nachgeschaltet, der eine von einem Stromnetz 62 zur Verfügung gestellte Wechselspannung VIN in eine gleichgerichtete Spannung bzw. in eine Gleichspannung umwandelt. Alternativ kann der Abwärtswandler 20 auch von einer Wechselspannung versorgt werden.
Der Steuereinheit 10 können über den Eingang 22 Dimmwerte übermittelt werden. Diese Dimmwerte können über einen Daten-Bus 63 z.B. von einer zentralen Einheit (nicht gezeigt) festgelegt werden. Vorzugsweise kann die Steuereinheit 10 über den Daten-Bus 63 auch selber Daten z.B. bezüglich der Regelung zurück zu der zentralen Einheit senden. Zur Regelung werden der Steuereinheit Rückführgrößen aus dem Bereich der Betriebsschaltung 64 zur Verfügung gestellt. Abhängig vom Betriebsmodus des Abwärtswandlers 20 passt die Steuereinheit 10 die Regelparameter wie oben beschrieben an. Die verschiedene Regelparametersätze können der Steuereinheit 10 bspw. über den Daten-Bus übermittelt werden.
Der Regelalgorithmus kann analog oder digital implementiert sein. Insbesondere bei digitaler Implementierung erfolgt die Veränderung der Eigenschaften der Regelschleife vorzugsweise durch Parameteränderung der digital implementierten Regelung. Indessen kann die
Änderung der Eigenschaften auch an anderer Stelle der Regelschleife ausgeführt werden, bspw. durch selektives Schalten eines bspw. Bandpass-Filters in dem Rückführzweig des Istwert-Signals. Es kann auch eine Umschaltung der Regelschleife oder von Teilen der Regelschleife erfolgen.
Liste der Referenzzeichen
1 Schalter
2 Diode
3 Induktivität
4 Induktivität
5 Leuchtdiode
6 Leuchtdiode
7 Widerstand
8 Widerstand
9 Flipflopschalung
10 Steuereinheit
11 Kondensator
12 Widerstand
13 Mess-Widerstand
15 Kondensator
16 Diode
17 Eingang der Steuereinheit
18 Eingang der Steuereinheit
19 Ausgang der Steuereinheit
20 Abwärtswandler
21 BetriebsSchaltung
22 Eingang der Steuereinheit für Dimmwerte
50 Komparator
51 BetriebsSchaltung
52 Sekundärwicklung
53 Eingang der Steuereinheit
54 Abwärtswandler
60 BeieuchtungsSystem
61 AC-DC Wandler
62 Stromnetz
63 Daten-Bus
64 BetriebsSchaltung

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode (5, 6) mittels einer vorzugsweise als Abwärtswandler ausgebildeten Schaltreglerschaltung (20), der eine Eingangsspannung (VDC) zugeführt wird, und die mittels mindestens einem durch eine Steuereinheit (10) getakteten Schalter (1) eine Ausgangsspannung (VOUT) zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (5, 6) mit zumindest im zeitlichen Mittel konstant geregeltem Strom, Spannung oder elektrischer Leistung bereitstellt, wobei der Sollwert für den LED-Strom. Spannung oder Leistung zum Dimmen einstellbar ist,
wobei die Regelparameter der Regelschleife für den LED- Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung abhängig vom Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung (20) verändert werden .
2. Verfahren zum Betrieb wenigstens einer Leuchtdiode (5, 6) mittels einer vorzugsweise als Abwärtswandler ausgebildeten Schaltreglerschaltung (20), der eine Eingangsspannung (VDC) zugeführt wird, und die mittels mindestens einem durch eine Steuereinheit (10) getakteten Schalter (1) eine Ausgangsspannung (VOUT) zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (5, 6) mit zumindest im zeitlichen Mittel konstant geregeltem Strom, Spannung oder Leistung bereitstellt, wobei der Sollwert für den LED- Strom, Spannung oder Leistung zum Dimmen einstellbar ist, wobei die Regelparameter der Regelschleife für den LED- Strom, die Led-Spannung oder die LED-Leistung abhängig von der LED-Last und/oder vom Sollwert für den LED-Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung verändert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei bei einem Übergang von einem Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung (20) zu einem anderen Betriebsmodus die Regelparameter geändert werden.
4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
wobei der Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung (20) erkannt wird, und abhängig davon die Regelparameter angepasst werden.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
wobei für unterschiedliche Betriebsmodi unterschiedliche Regelparametersätze vorgesehen sind.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
wobei die Schaltreglerschaltung (20) in einem kontinuierlichen und in einem diskontinuierlichen Modus betrieben werden kann, und für jeden dieser Betriebsmodi ist ein jeweiliger Regelparametersatz vorgesehen.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei der diskontinuierliche Betriebsmodus dadurch erkannt wird, dass bei ausgeschaltetem Schalter (1) eine Umkehr der Ausgangsspannung (VM) des Schalters (1) oder eine Umkehr der an einer dem Schalter (1) nachgeschalteten Diode (2) abfallenden Spannung (VM) oder eine Umkehr der an einem Energiespeicher (3) der Schaltreglerschaltung (20) abfallenden Spannung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch wobei der diskontinuierliche Betriebsmodus dadurch erkannt wird, dass beim Einschalten des Schalters (1) die Ausgangsspannung (VM) des Schalters (1) oder die an einer dem Schalter (1) nachgeschalteten Diode (2) abfallende Spannung (VM) oder die an einem Energiespeicher (3) der Schaltreglerschaltung (20) abfallenden Spannung größer als ein vordefinierter Wert, z.B. Null, ist oder in einem bestimmten Wertebereich sich befindet.
9. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche und insbesondere nach Anspruch 8,
wobei ein Betriebsmodus bzw. ein Übergang zwischen zwei Betriebsmodi mittels einer Flipflopschaltung (9) ermittelt wird .
10. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei die Flipflopschaltung in Form einer D- Flipflopschaltung (9) ausgestaltet ist, wobei:
- derer Clock-Eingang mit dem von der Steuereinheit (10) generierten Steuersignal für den Schalter (1) gespeist wird,
- derer D-Eingang mit einem Signal, das einen elektrischen Parameter der Schaltreglerschaltung abbildet, gespeist wird und
- derer Ausgang mit einem Eingang (18) der Steuereinheit (10) verbunden ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei das Signal am D-Eingang der D-Flipflopschaltung (9) die Ausgangsspannung (VM) des Schalters (1) der als Abwärtswandler ausgebildeten Schaltreglerschaltung wiedergibt .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
wobei das Steuersignal für den Schalter (1) am Clock- Eingang derart verzögert wird, dass die Laufzeiten der Schalter-Ansteuerung kompensier wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
wobei zur Erkennung des Betriebsmodus ein Komparator (50) am D-Eingang geschaltet ist.
14. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
wobei die Anpassung der Regelparameter davon abhängig gemacht wird, dass in einem kontinuierlichen Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung die statische Verstärkung (ksl, ks2) größer ist als in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus .
15. Integrierte Schaltung, vorzugsweise in Form eines MikroControllers, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder eines digitalen Signalprozessors, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche.
16. Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode (5, 6) , aufweisend eine vorzugsweise als Abwärtswandler ausgebildete Schaltreglerschaltung (20), der eine Eingangsspannung (VDC) zugeführt wird, und die mittels mindestens einem durch eine Steuereinheit (10) getakteten Schalter (1) eine Ausgangsspannung (VOUT) zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (5, 6) mit zumindest im zeitlichen Mittel konstant geregeltem Strom, Spannung oder Leistung bereitstellt, wobei der Sollwert für den LED- Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung zum Dimmen einstellbar ist, wobei die Regelparameter der Regelschleife für den LED- Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung abhängig vom Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung (20) veränderbar sind .
17. Betriebsschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode (5, 6) , aufweisend eine vorzugsweise als Abwärtswandler ausgebildete Schaltreglerschaltung (20), der eine Eingangsspannung (VDC) zugeführt wird, und die mittels mindestens einem durch eine Steuereinheit (10) getakteten Schalter (1) eine Ausgangsspannung (VOUT) zur Versorgung der wenigstens einen Leuchtdiode (5, 6) mit zumindest im zeitlichen Mittel konstant geregeltem Strom, Spannung oder Leistung bereitstellt, wobei der Sollwert für den LED- Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung zum Dimmen einstellbar ist,
wobei die Regelparameter der Regelschleife für den LED- Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung abhängig von der LED-Last und/oder vom Sollwert für den LED-Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung veränderbar sind.
18. LED-Leuchte, bspw. Retrofit LED-Leuchte, aufweisend eine integrierte Schaltung nach Anspruch 15 oder eine Betriebsschaltung nach Anspruch 16 oder 17.
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