EP2795999B1

EP2795999B1 - Betriebsschaltung und verfahren mit regelkreis-anpassung, zum betrieb von leuchtdioden

Info

Publication number: EP2795999B1
Application number: EP12812929.3A
Authority: EP
Inventors: Martin Huber
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: CN104160781A; US9544955B2; EP2795999A1; US20150042237A1; WO2013092545A1; DE102011088966A1; CN104160781B

Description

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.
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 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 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 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 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.
Aus der DE 10 2008 057 333 A1 ist ein adaptiver PFC für einen Leuchtmittel-Lastkreis, insbesondere einem Lastkreis mit LED bekannt. Dabei können die Regelungsparameter einer PFC-Regelung für die Ausgangsspannung des getakteten PFCs abhängig von einem Steuersignal bzw. einem Messsignal eingestellt werden. Der getaktete PFC speist eine Treiberschaltung, die wiederum die Leuchtmittel versorgt.
Die US 2012/0119669 A1 zeigt einen Phasenabschnittsdimmer trailing edge dimmer). Dieser versorgt einen Konverter für eine Lichtquelle. Ein Stromregelmodul des Konverters wird mit einem Signal versorgt, das eine Vorhersage des zeitlichen Auftretens der Phasenabschnittsflanke vorhersagt.
Die US 2008/167734 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum digitalen Steuern einer Beleuchtungseinrichtung, die ermöglichen, dass ein gewünschter operativer Sollwert der Beleuchtungseinrichtung auf eine schnelle Weise erreicht wird, während das Überschwingen und das Oszillieren um den gewünschten operativen Sollwert der Beleuchtungseinrichtung im Wesentlichen reduziert wird. Insbesondere ist in US 2008/167734 A1 ein PID-Regler konfiguriert, die PID-Regler-Parameter basierend auf dem gewünschten operativen Sollwert der Beleuchtungseinrichtung und/oder auf dem vorliegenden Betriebspunkt der Beleuchtungseinrichtung zu variieren.
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 Schaltreglerschaltung.
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 Stromrippels 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 K1, 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 B1 ist die Steigung flacher als in einem zweiten Bereich B2. Das Tastverhältnis ist im zweiten Bereich B2 größer als im ersten Bereich B1. 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: Beleuchtungssystem
61: AC-DC Wandler
62: Stromnetz
63: Daten-Bus
64: Betriebsschaltung

Claims

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 LED-Strom, LED-Spannung oder elektrischer LED-Leistung bereitstellt, wobei der Sollwert für den LED-Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung zum Dimmen einstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regelparameter der Regelschleife für den LED-Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung abhängig vom Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung (20) verändert werden.
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 LED-Strom, LED-Spannung oder LED-Leistung bereitstellt, wobei der Sollwert für den LED-Strom, die LED-Spannung oder LED-Leistung zum Dimmen einstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass 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.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei bei einem Übergang von einem Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung (20) zu einem anderen Betriebsmodus die Regelparameter geändert werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
wobei der Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung (20) erkannt wird, und abhängig davon die Regelparameter angepasst werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
wobei für unterschiedliche Betriebsmodi unterschiedliche Regelparametersätze vorgesehen sind.
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.
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 6,
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.
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.
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.
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.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
wobei zur Erkennung des Betriebsmodus ein Komparator (50) am D-Eingang geschaltet ist.
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 (ks1, ks2) größer ist als in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus.
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.
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,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Regelparameter der Regelschleife für den LED-Strom, die LED-Spannung oder die LED-Leistung abhängig vom Betriebsmodus der Schaltreglerschaltung (20) veränderbar sind.
LED-Leuchte, bspw. Retrofit LED-Leuchte, aufweisend eine integrierte Schaltung nach Anspruch 15 oder eine Betriebsschaltung nach Anspruch 16.