EP2989858A2 - Led-schaltungsanordnung - Google Patents

Led-schaltungsanordnung

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EP2989858A2
EP2989858A2 EP14721283.1A EP14721283A EP2989858A2 EP 2989858 A2 EP2989858 A2 EP 2989858A2 EP 14721283 A EP14721283 A EP 14721283A EP 2989858 A2 EP2989858 A2 EP 2989858A2
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EP
European Patent Office
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led
leds
circuit arrangement
current
led circuit
Prior art date
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Application number
EP14721283.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2989858B1 (de
Inventor
Cristian OLARIU
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Zumtobel Lighting GmbH Austria
Original Assignee
Zumtobel Lighting GmbH Austria
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Publication date
Application filed by Zumtobel Lighting GmbH Austria filed Critical Zumtobel Lighting GmbH Austria
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Publication of EP2989858B1 publication Critical patent/EP2989858B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/40—Details of LED load circuits
    • H05B45/44—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix
    • H05B45/46—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix having LEDs disposed in parallel lines

Definitions

  • the present invention relates to an LED circuit arrangement for operating a plurality of LEDs by a common operating device. Furthermore, the invention relates to a circuit board for mounting with LEDs, by which a corresponding LED circuit arrangement can be realized.
  • LEDs are replacing more and more classic light sources in modern lighting technology. There are a variety of different LED types available, which differ in terms of their performance and in terms of the emitted light or the color or color temperature. Depending on the field of application of a luminaire in which the LEDs are used, that is, for example, depending on the size of the luminaire, its light exit surface, the optical system used and the like, the use of a few so-called. High-performance LEDs or a plurality of LEDs with low or medium power of advantage.
  • n parallel LED strands each of which has m LEDs, so that an array 310 consists altogether of n ⁇ m LEDs.
  • a plurality of arrays 310 can also be connected in series with each other, wherein the operating device 300 then preferably supplies this arrangement with a constant current.
  • a serial-parallel LED array as shown in Figures 1 and 2, has certain advantages in terms of ease of construction, the associated low cost, and the high efficiency achievable anyway.
  • identical LEDs which have a substantially identical forward voltage, then the current provided by the operating device 300 becomes evenly distributed to the individual LED strands with only small tolerances. The following relationship applies:
  • Ibranch corresponds here to the power within a single LED strand, while on the other hand I ba ii ast put to the available by the operating unit 300
  • Constant current corresponds.
  • V f array corresponds to the forward voltage of the LEDs
  • total power of the array is determined as follows:
  • FIGS. 1 and 2 has advantages with regard to the simple structure and the high efficiency that can nevertheless be achieved.
  • the disadvantage is that due to the even distribution of the current to all LED strings all LEDs are operated in the same way, ie have an identical brightness.
  • a typical scenario is, for example, that with the help of the LEDs a luminaire is to be realized, which provides both direct lighting and indirect lighting.
  • Direct lighting used here is typically about 80% of the total light output of the lamp while on the other hand for the indirect light only about 20%) are used.
  • identical LEDs operate at identical power, this means that far fewer LEDs can be used for indirect light output, but this could potentially be problematic in terms of uniform light output.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a novel solution for operating LEDs, which makes it possible, despite supplying all the LEDs by a single operating device, the LEDs
  • the LED circuit arrangement has a plurality of LED strands connected in parallel, which are provided for supply by a common operating device, ie have a common input terminal and a common output terminal.
  • a common operating device ie have a common input terminal and a common output terminal.
  • one element for limiting the current is arranged in a subset of the LED strings, wherein this subset comprises at least one LED string.
  • This first solution according to the invention thus provides that selective current limiters are arranged in selected LED strings of the array. These each limit the current in the corresponding LED string to a desired value, which is lower in particular than the current that would be present in the event that all the LEDs are conventionally interconnected in the sense of a serial-parallel array.
  • the power of the associated LEDs can therefore be set to a specific value for the corresponding LED string, with the possibility of selecting different current values for individual strings.
  • the remaining current is then split between the non-current limited LED strings and these are operated at the highest power.
  • the current limiting element used according to the invention can be formed by a resistor.
  • This somewhat more complex variant has the advantage that a more exact adjustment of the current flowing through the associated LED string is possible here.
  • the current limiter since the current limiter usually consumes a certain amount of power, a somewhat smaller number of LEDs is usually present in those strings which are current-limited than in the non-limited LED strings.
  • one or more LED strands branch in sections into a larger number of parallel LED strands.
  • a sub-array is integrated or embedded in the general LED array, so to speak, which leads to a
  • Branching of the strands is such that regardless of which path the current from the input point of the LED circuit arrangement to the end point of the circuit runs, always an identical number of LEDs is traversed. In this way, it is possible to reduce the current flow through individual LED subgroups of the circuit arrangement to rational fractions of the original current flow, which in turn makes it possible to operate LEDs within a common circuit arrangement despite being supplied by a common operating device with different power.
  • Compared to the first described variant with the current limiters although there is a slightly lower degree of freedom in the adjustment of the current flow, an advantage exists however in that in the ideal case additional power consuming
  • Subsections compensation resistors can be arranged to
  • Figure 1 shows a LED circuit arrangement according to the prior art, in which a plurality of series-parallel LED arrays connected in series and are supplied by a common operating device;
  • Figure 2 shows the view of a single LED array according to the state of
  • FIG 3 is a basic representation of the first inventive concept for
  • FIG. 4 shows a variant for the design of a current limiter used in the first idea of the invention
  • Figure 5 is a diagram for illustrating the second invention
  • FIG. 6 shows an alternative arrangement of compensation resistors in FIG.
  • FIG. 3 clarifies the idea underlying the first variant according to the invention. Shown here is a circuit arrangement 1 for operating a plurality of LEDs 2, wherein in the following, for the sake of simplicity, it is assumed that they are each identical LEDs. Possibly. can, however, in
  • the circuit arrangement 1 consists of a generally designated by the reference numeral 10 LED matrix or an LED array, which is supplied by a common operating device 3 with constant current I ba ii branch .
  • the basic structure of the circuit arrangement corresponds to a series-parallel LED array, ie, there are a plurality of parallel LED strands 11 are provided (in the following case, n LED strands), in each of which a plurality of LEDs 2 are connected in series.
  • n LED strands in each of which a plurality of LEDs 2 are connected in series.
  • the strands 1 1 arranged in the illustration at the upper end of the array 10 which are not current-limited, each contain m LEDs.
  • current limiters 15 are arranged in a few selected LED strings of the array 10. These can be realized in different ways, as will be described in more detail later. Their function is to limit the current flow to a specific value in the respective LED string. In this case, the current limiters 15 are designed in such a way that they can individually adjust the current for the corresponding string 11 in each case.
  • a necessary prerequisite is, of course, that the sum of all currents set by the current limiter 15 is lower than the total current provided by the operating device 3 Ibaiiast, ie ⁇ ⁇ limited ballast
  • VF_ arra y m * Vf LED
  • Voltage drop Vdrop limiter k min is that of the current limiter in the
  • the current limiter 15 can be adjusted individually by the current limiter 15.
  • the simplest way of realizing the embodiment according to the invention is that, as shown in FIG. 3, the current limiters 15 are each realized by resistors Ri to R j . Since the forward voltage across the LEDs 2 varies only very slightly with the current flow, corresponding lead
  • Resistors connected in series with the LEDs 2 of the corresponding string cause the current to be set almost constant to a desired value.
  • the forward voltage of the LEDs 2 may be unacceptable with regard to the respective field of application and outside a certain tolerance limit, since the forward voltage of the LEDs 2 to a certain extent depends on the operating parameters such as current or temperature. Also inherent intolerances in the manufacturing process of LEDs lead here to a certain fluctuation in the current flow.
  • a current limiter corresponding to the representation of FIG. 4 can also be realized.
  • This consists in this case of two transistors and two resistors, which are connected to a so-called. Constant current sink.
  • the transistor Q2 in this case drives the transistor Ql to force a constant current flow across the LED string 11 2 .
  • the value of the set current is determined by the resistor Rl, the resistor R2 is the
  • Bias of the transistor Ql As an alternative to the illustrated embodiment, an n-channel MOSFET transistor could be used instead of the illustrated bipolar transistor Q1, the transistor Q2 could in turn be replaced by two diodes. Furthermore, using the principle according to the invention, further variants for realizing a current limiter would be conceivable in which the current flow no longer depends on the supply voltage of the LEDs and, accordingly, can be set exactly to a desired value.
  • FIG. 5 shows the fundamental principle on which the invention is based, again based on a classic serial-parallel LED array which is shown in the upper area of FIG. 5 and has k parallel LED strands 11 with m LEDs 2 in each case.
  • the second principle of the invention now provides that at least part of the original LED strands 11 branches in sections into a different number of parallel LED strands 21. This results in a new serial-parallel LED array 20, which, so to speak, integrated into the original array 10 or
  • sub-array 20 is embedded and hereinafter also referred to as a sub-array. This concept can be seen in the lower half of Figure 5, in which case the k input-side LED strands 11 branch in its central region in i series-parallel LED strands 21, so that here the above-mentioned sub-array 20 is formed ,
  • the number of branched strands i is greater than the original number k, the number j of the serial LEDs located in the branched strands 21 being identical in each case, irrespective of the degree of branching and corresponding to the corresponding original number.
  • the entire LED array according to the invention passes from the input point 5 to the starting point 6, there are always identical numbers of LEDs on this path, in the illustrated exemplary embodiment a total of m LEDs.
  • the number of LEDs in series is thus always constant regardless of the corresponding path.
  • Inested branch Ibranch 'k / ⁇
  • Ibranch refers to the flow of electricity before the branch.
  • the prerequisite for this is that - as already mentioned - the number of branched strands i is greater than the number of original strands k, ie i> k must be and the sub-array 20 extends only over a subsection of the entire arrangement, ie 1 ⁇ j ⁇ m.
  • the total current flow in the LED strands before they branch, is thus divided almost equally to the branched strands after the branching point 7.
  • the current flow through the newly integrated sub-array 20 can be reduced to a different current value than in the non-branched regions or unbranched LED strands, by adjusting the ratio of the number of strands before and after branching Ratio of Current values can be adjusted. In the areas adjoining the sub-array 20, the current flow then returns to the original value.
  • the forward voltage of an LED is known to depend on the magnitude of the corresponding current flow through it, with the forward voltage increasing with increasing current flow. Furthermore, there is also a temperature dependence, wherein an increase in the temperature in turn leads to a reduction of the
  • TLED OSP represents the temperature of the LEDs in front of the branch point 7 and after the merge point 8 while T L ED BSP describes the temperature of the LEDs after the branch point or in the sub-array 20.
  • Compensating resistors are used, in particular if not all strands of the original LED array have been branched in the same way. These resistors 25 are dimensioned such that they compensate for the difference in the forward voltage in the region of the sub-array 20.
  • a first possibility for the arrangement of the compensation resistors 25 mentioned is to arrange them according to the representation of FIG. 5 in the region in front of the branch. For the height of the compensation resistors 25 then the following relationship applies:
  • Rcomp j '(Vf LED (Ibranch, TLED OSP) _ Vf LED (branch Inested, TLED BSP)) Ibranch
  • the arrangement of the compensating resistors 25 can take place either before the
  • V f LED Ibranch, TLED OSP
  • Vf LED Inested branch, TLED BSP
  • Rcomp j- (Vf_LED (Inested_branch, TLED BSP) _ Vf_LED (Ibranch, TLED OSP)) Ibranch
  • FIGS. 8a to 8e show some conceivable possibilities for
  • LED strings can also be brought together (see FIG. 8c), which corresponds to an inverse branch, but has no influence on the effect of the different current supply according to the invention.
  • the resulting current flows esp.
  • the idea of branching so there is the possibility of the flow of current decrease a value that corresponds to a rational fraction of the original stream value in a straight-line section.
  • Circuit arrangements the ability to operate LEDs despite common power supply with different powers. This then opens the possibility to the LEDs, each with different power to different tasks
  • those LEDs that operate at reduced power could be used to provide indirect lighting and / or accent lighting while the maximum power LEDs would be used for direct lighting. In this context is on it
  • Circuit arrangement does not say anything about their position, for example within a luminaire.
  • those LEDs which are operated with a different current, that is to say a different power, despite the fact that they are part of a common circuit arrangement, can be placed in the luminaire such that e.g. their light output is opposite to the light output of the other LEDs.

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

Abstract

Bei einer LED-Schaltungsanordnung (1) mit mehreren parallel verschalteten LED- Strängen (11), welche zur Versorgung durch ein gemeinsames Betriebsgerät (3) vorgesehen sind, ist in einer Teilmenge der LED-Stränge (11), welche zumindest einen LED-Strang umfasst, jeweils ein Element zur Strombegrenzung (15) angeordnet.

Description

LED-Schaltungsanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED-Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Vielzahl von LEDs durch ein gemeinsames Betriebsgerät. Ferner betrifft die Erfindung einer Platine zur Bestückung mit LEDs, durch welche eine entsprechende LED-Schaltungsanordnung realisiert werden kann.
LEDs verdrängen in der modernen Beleuchtungstechnologie mehr und mehr klassische Lichtquellen. Es ist eine Vielzahl unterschiedlicher LED-Typen verfügbar, welche sich hinsichtlich ihrer Leistung sowie hinsichtlich des abgegebenen Lichts bzw. der Farbe oder Farbtemperatur unterscheiden. Abhängig von dem Anwendungsgebiet einer Leuchte, bei der die LEDs zum Einsatz kommen, also bspw. abhängig von der Größe der Leuchte, deren Lichtaustrittsfläche, dem verwendeten optischen System und dergleichen kann dabei die Verwendung einiger weniger sog. Hochleistungs-LEDs oder einer Vielzahl von LEDs mit niedriger bzw. mittlerer Leistung von Vorteil sein.
Problematisch in diesem Zusammenhang ist allerdings, dass im Vergleich zu den vielfältig verfügbaren LEDs LED-Betriebsgeräte lediglich in einem begrenzten Umfang zur Verfügung stehen, was wiederum erfordert, dass insb. für den Fall, dass eine Mehrzahl von LEDs mit niedriger oder mittlerer Leistung betrieben wird sollen, diese in geeigneter Weise verschaltet werden müssen. Hierbei hat sich in der Praxis durchgesetzt, LEDs in sog. seriell-parallelen Arrays anzuordnen, wie dies schematisch in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungs Variante werden alle LEDs von einem gemeinsamen Betriebsgerät 300 versorgt. Ein einzelnes Array 310 besteht dabei jeweils aus mehreren parallel geschalteten LED-Strängen, in denen jeweils die LEDs seriell verschaltet sind. Bei der Variante gemäß den Figuren 1 und 2 sind also bspw. n parallele LED-Stränge vorhanden, welche jeweils m LEDs aufweisen, so dass ein Array 310 insgesamt aus n x m LEDs besteht. Wie ferner Figur 1 zeigt, können dabei mehrere Arrays 310 auch in Serie zueinander verschaltet werden, wobei das Betriebsgerät 300 diese Anordnung dann bevorzugt mit einem Konstantstrom versorgt.
Ein seriell-paralleles LED-Array, wie es in den Figur 1 und 2 gezeigt ist, weist gewisse Vorteile hinsichtlich des einfachen Aufbaus, der damit verbundenen niedrigen Kosten und der trotz allem erreichbaren hohen Effizienz auf. Wenn identische LEDs verwendet werden, welche eine im Wesentlichen identische Vorwärtsspannung aufweisen, dann wird der von dem Betriebsgerät 300 zur Verfügung gestellte Strom gleichmäßig auf die einzelnen LED-Stränge mit nur geringen Toleranzen aufgeteilt. Es gilt also folgender Zusammenhang:
Ibranch = Iballast / Γ1
Ibranch entspricht hierbei dem Strom innerhalb eines einzelnen LED-Strangs, während hingegen Ibaiiast dem von dem Betriebsgerät 300 zur Verfügung gestellten
Konstantstrom entspricht. Für den Spannungsabfall Vf array über das LED- Array 310 ergibt sich ferner folgender Zusammenhang wobei Vf LED der Vorwärtsspannung der LEDs entspricht, und die Gesamtleistung des Arrays bestimmt sich wie folgt:
Ptot = m · Vf LED · Iballast
Wie bereits erwähnt, weist der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Stand der Technik Vorteile im Hinblick auf den einfachen Aufbau und der trotz allem erreichbaren hohen Effizienz auf. Nachteilig ist allerdings, dass aufgrund des gleichmäßigen Aufteilens des Stroms auf alle LED-Strängen alle LEDs in gleicher Weise betrieben werden, also eine identische Helligkeit aufweisen. Für gewisse Anwendungsgebiete der
Beleuchtungstechnologie kann allerdings durchaus erwünscht sein, dass die LEDs unterschiedlich hell sind. Ein typisches Szenario ist beispielsweise, dass mit Hilfe der LEDs eine Leuchte realisiert werden soll, die sowohl eine Direktbeleuchtung als auch eine Indirektbeleuchtung zur Verfügung stellt. Der Anteil des für die
Direktbeleuchtung genutzten Lichts liegt hierbei typischerweise bei etwa 80% der Gesamtlichtabgabe der Leuchte während hingegen für das Indirektlicht lediglich in etwa 20%) genutzt werden. Für den Fall, dass identische LEDs mit identischer Leistung betrieben werden, bedeutet dies, dass für die indirekte Lichtabgabe deutlich weniger LEDs genutzt werden können, was allerdings im Hinblick auf eine gleichmäßige Lichtabgabe möglicherweise problematisch sein könnte. Wünschenswert wäre eher, dass auch für das Indirektlicht eine Vielzahl von LEDs genutzt werden können, diese dann allerdings mit niedrigerer Leistung betrieben werden, derart, dass sie eine geringere individuelle Helligkeit aufweisen. Hierfür war bislang allerdings dann erforderlich, diese LEDs mit Hilfe eines zweiten Betriebsgeräts anzusteuern, was wiederum zu erhöhten Kosten führen würde. Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabenstellung zugrunde, eine neuartige Lösung zum Betreiben von LEDs anzugeben, welche es ermöglicht, trotz Versorgung aller LEDs durch ein einzelnes Betriebsgerät die LEDs der
Schaltungsanordnung mit unterschiedlicher Leistung zu betreiben. Diese Möglichkeit soll insb. auch dann bestehen, wenn identische LEDs zum Einsatz kommen. Ferner sollte trotzdem eine hohe Effizienz beibehalten werden, d.h., die von dem
Betriebsgerät zur Verfügung gestellte Leistung sollte idealerweise nahezu
ausschließlich durch die LEDs in Licht umgesetzt werden. Die Aufgabe wird durch eine LED-Schaltungsanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die LED- Schaltungsanordnung mehrere parallel verschaltete LED-Stränge aufweist, welche zur Versorgung durch ein gemeinsames Betriebsgerät vorgesehen sind, also einen gemeinsamen Eingangsanschluss sowie einen gemeinsamen Ausgangsanschluss aufweisen. Erfindungsgemäß ist hierbei in einer Teilmenge der LED-Stränge, wobei diese Teilmenge zumindest einen LED-Strang umfasst, jeweils ein Element zur Strombegrenzung angeordnet.
Diese erste erfindungsgemäße Lösung sieht also vor, dass in ausgewählten LED- Strängen des Arrays selektive Strombegrenzer angeordnet werden. Diese begrenzen jeweils den Strom in dem entsprechenden LED-Strang auf einen gewünschten Wert, der insb. niedriger ist als der Strom, der für den Fall vorliegen würde, dass alle LEDs in klassischer Weise im Sinne eines seriell-parallelen Arrays verschaltet sind. Mit Hilfe des Strombegrenzers kann also für den entsprechenden LED-Strang die Leistung der zugehörigen LEDs auf einen bestimmten Wert eingestellt werden, wobei durchaus die Möglichkeit besteht, für einzelne Stränge unterschiedliche Stromwerte zu wählen. Der verbleibende Strom wird dann auf die nicht-strombegrenzten LED-Stränge aufgeteilt und diese werden mit der höchsten Leistung betrieben. Letztendlich bedeutet dies, dass selbst für den Fall, dass identische LEDs zum Einsatz kommen, bestimmte Gruppen von LEDs mit einer anderen Leistung betrieben werden und damit eine andere Menge an Licht abgeben. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die LEDs zur Lösung unterschiedlicher Aufgabenstellungen im Hinblick auf eine gewünschte Beleuchtung einzusetzen.
In einfacher Weise kann das erfindungsgemäß verwendete Strombegrenzungselement durch einen Widerstand gebildet werden. Alternativ hierzu wäre allerdings auch eine entsprechende Schaltungsanordnung, gebildet aus zwei Widerständen sowie zwei Transistoren denkbar. Diese etwas komplexere Variante bringt dabei den Vorteil mit sich, dass hier eine exaktere Einstellung des durch den zugehörigen LED-Strang fließenden Stroms möglich ist. Da der Strombegrenzer meist eine gewisse Leistung verbraucht, ist ferner üblicherweise in denjenigen Strängen, die strombegrenzt sind, eine etwas geringere Anzahl an LEDs vorhanden, als in den nicht-begrenzten LED- Strängen.
Alternativ zu der soeben beschriebenen erfindungsgemäßen ersten Variante ist gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass innerhalb eines LED-Arrays ein oder mehrere LED-Stränge abschnittsweise in eine größere Anzahl von parallelen LED-Strängen verzweigen. Hierdurch wird in das allgemeine LED- Array sozusagen ein Unter-Array integriert bzw. eingebettet, welches zu einer
Aufteilung des Stromflusses in den Zweigen des Unter- Arrays führt, so dass hier die LEDs wiederum mit einem etwas anderen Strom versorgt werden als in den nichtverzweigten Bereichen bzw. als die nicht-verzweigenden LED-Stränge. Das
Verzweigen der Stränge ist dabei derart, dass unabhängig davon, über welchen Pfad der Strom vom Eingangspunkt der LED-Schaltungsanordnung zum Endpunkt der Schaltungsanordnung verläuft, immer eine identische Anzahl von LEDs durchlaufen wird. Auf diesem Wege besteht die Möglichkeit, den Stromfluss durch einzelne LED- Untergruppen der Schaltungsanordnung auf rationale Bruchteile des ursprünglichen Stromflusses herabzusetzen, wobei hierdurch wiederum die Möglichkeit besteht, LEDs innerhalb einer gemeinsamen Schaltungsanordnung trotz Versorgung durch ein gemeinsames Betriebsgerät mit unterschiedlicher Leistung zu betreiben. Im Vergleich zu der zuerst beschriebenen Variante mit den Strombegrenzern besteht hierbei zwar ein etwas geringerer Freiheitsgrad bei der Einstellung des Stromflusses, ein Vorteil besteht allerdings dahingehend, dass im Idealfall auf zusätzliche stromverbrauchende
Komponenten in der Schaltungsanordnung verzichtet werden kann. Hier dürfte also die Effizienz der Schaltungsanordnung etwas höher sein, wobei ggf. entweder in den ursprünglichen, nicht-verzweigten LED-Strängen oder in den verzweigten
Teilabschnitten Kompensationswiderstände angeordnet werden können, um
sicherzustellen, dass die LEDs jeweils mit ihrer idealen Vorwärtsspannung betrieben werden. Idealerweise ist auch bei dieser Variante vorgesehen, dass alle LEDs der Schaltungsanordnung identisch sind, wobei ggf. die LEDs eines Unter-Arrays sich auch von den weiteren LEDs unterscheiden könnten.
Letztendlich erlauben also beide erfindungsgemäßen Lösungen, in verhältnismäßig einfacher Weise und ohne größeren Aufwand und damit verbundene Zusatzkosten LEDs in einer gemeinsam versorgten Schaltungsanordnung mit unterschiedlichen Leistungen zu betreiben. Hierdurch können die Schaltungsanordnungen variabler zu verschiedenen Beleuchtungszwecken eingesetzt werden.
Anzumerken ist hierbei, dass sich die erfindungsgemäße Lösung jeweils auf die Ausgestaltung eines einzelnen Arrays bezieht. Entsprechend der Darstellung von Figur 1 könnten selbstverständlich mehrere erfindungsgemäße Arrays seriell verschaltet werden. Dabei wäre auch eine Kombination von Arrays denkbar, die jeweils unterschiedlich entsprechend einer der beiden erfindungsgemäßen Lösungen ausgestaltet sind.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine LED-Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik, bei der mehrere seriell-parallele LED-Arrays in Serie verschaltet und von einem gemeinsamen Betriebsgerät versorgt sind;
Figur 2 die Ansicht eines einzelnen LED-Arrays entsprechend dem Stand der
Technik;
Figur 3 eine grundsätzliche Darstellung des ersten Erfindungsgedankens zur
Ausgestaltung eines LED-Arrays mit LED-Strängen, die mit unterschiedlicher Leistung betrieben werden; Figur 4 eine Variante zur Gestaltung eines bei dem ersten Erfindungsgedanken zum Einsatz kommenden Strombegrenzers;
Figur 5 ein Schema zur Verdeutlichung des zweiten erfindungsgemäßen
Gedankens des Verzweigens von LED-Strängen zur Bildung eines eingebetteten Unter-Arrays;
Figur 6 eine alternative Anordnung von Kompensationswiderständen in dem
Unter-Array; Figur 7 eine weitere Möglichkeit zur Nutzung
Kompensationswiderstände und
Figur 8a bis 8e unterschiedliche Varianten zur Realisierung eines erfindungsgemäßen
LED-Arrays gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Lösung. Figur 3 verdeutlicht den der ersten erfindungsgemäßen Variante zugrunde liegenden Gedanken. Gezeigt ist hierbei eine Schaltungsanordnung 1 zum Betreiben mehrerer LEDs 2, wobei im Nachfolgenden der Einfachheit halber davon ausgegangen wird, dass es sich jeweils um identische LEDs handelt. Ggf. können allerdings in
bestimmten Zweigen auch unterschiedliche LED-Typen zum Einsatz kommen.
Die Schaltungsanordnung 1 besteht aus einer allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten LED-Matrix bzw. einem LED-Array, welches von einem gemeinsamen Betriebsgerät 3 mit Konstantstrom Ibaiiast versorgt wird. Der grundsätzliche Aufbau der Schaltungsanordnung entspricht einem seriell-parallelen LED-Array, d.h., es sind mehrere parallel geschaltete LED-Stränge 11 vorgesehen (im folgenden Fall n LED- Stränge), in denen jeweils mehrere LEDs 2 in Serie geschaltet sind. Im vorliegenden Fall wird hierbei davon ausgegangen, dass die in der Darstellung am oberen Ende des Arrays 10 angeordneten Stränge 1 1, welche nicht strombegrenzt sind, jeweils m LEDs beinhalten.
Der erfindungsgemäße Gedanke besteht bei dieser Variante nunmehr darin, dass in einigen ausgewählten LED-Strängen des Arrays 10 Strombegrenzer 15 angeordnet sind. Diese können in unterschiedlicher Weise realisiert werden, wie später noch näher beschrieben wird. Ihre Funktion besteht darin, in dem jeweiligen LED-Strang den Stromfluss auf einen bestimmten Wert zu beschränken. Dabei sind die Strombegrenzer 15 derart ausgelegt, dass sie jeweils individuell für den entsprechenden Strang 11 den Strom einstellen können.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel von Figur 3 existieren also insgesamt j strombegrenzte LED-Stränge, während hingegen (n - j) Stränge nicht strombegrenzt sind. Der Stromfluss durch diese nicht-begrenzten Stränge ergibt sich dann wie folgt: wobei Iiimited k jeweils den durch den entsprechenden Strombegrenzer 15 in dem zugehörigen LED-Strang 11 eingestellten Stromwert entspricht.
Eine notwendige Voraussetzung ist selbstverständlich, dass die Summe aller durch die Strombegrenzer 15 eingestellten Ströme niedriger ist als der durch das Betriebsgerät 3 insgesamt zur Verfügung gestellte Strom Ibaiiast, also Σ ^limited k ^ ballast
k=l gilt. Der entsprechende Differenzbetrag wird dann entsprechend der obigen Formel gleichmäßig auf die nicht-begrenzten LED-Stränge aufgeteilt.
Für den Spannungsabfall über das gesamte erfindungsgemäß ausgestaltete LED-Array 1 gilt:
Vf_array = m · Vf LED
Ferner gilt für die gesamte Leistungsaufnahme des LED-Arrays:
Ptot = m · Vf LED · Iballast Da die Wirkung der Strombegrenzer 15 einen Spannungsabfall über den jeweiligen Begrenzer 15 erfordert, ist ferner erforderlich, dass in den strombegrenzten LED- Strängen die Anzahl an LEDs niedriger ist als in den nicht-strombegrenzten Strängen, um den Stromfluss in dem gesamten Array 10 auszubalancieren. Genau genommen ist erforderlich, dass die gesamte Vorwärtsspannung bzgl. einer Anzahl von LEDs, welche der Differenz zwischen den in einem nicht-begrenzten Strang vorgesehenen LEDs und der Anzahl der in dem entsprechenden begrenzten Strang zum Einsatz kommenden LEDs entspricht, größer oder zumindest gleich dem minimalen
Spannungsabfall Vdrop limiter k min ist, der von dem Strombegrenzer in dem
entsprechenden Strang benötigt wird. Es muss also gelten:
(m— lk ) · Vf _LED ^ Vdrop _ lim iter _k _ min
Erkennbar ist also, dass mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung trotz gemeinsamer Stromversorgung aller LEDs durch ein einziges Betriebsgerät bestimmte LEDs selektiv mit einer bestimmten Leistung betrieben werden können. Dabei wird dadurch, dass die Anzahl an LEDs in den strombegrenzten Strängen reduziert wird,
sichergestellt, dass trotz allem die LEDs mit der idealerweise für sie vorgesehenen Vorwärtsspannung betrieben werden. Ein effizienter LED-Betrieb ist auf diesem Wege also sichergestellt, wobei nochmals darauf hinzuweisen ist, dass für jeden
strombegrenzten LED-Strang der Stromfluss und damit die Leistung der
entsprechenden LEDs durch den Strombegrenzer 15 individuell eingestellt werden kann. Die einfachste Möglichkeit, die erfindungsgemäße Ausführungsform zu realisieren, besteht darin, dass entsprechend der Darstellung von Figur 3 die Strombegrenzer 15 jeweils durch Widerstände Ri bis Rj realisiert werden. Da die Vorwärtsspannung über die LEDs 2 nur sehr gering mit dem Stromfluss variiert, führen entsprechende
Widerstände, die in Serie mit den LEDs 2 des entsprechenden Strangs geschaltet sind, dazu, dass der Strom nahezu konstant auf einen gewünschten Wert eingestellt wird.
Diese sehr einfache Ausführungsform bringt allerdings den Nachteil mit sich, dass möglicherweise dich noch eine kleine Schwankung der Ströme vorliegt, die
hinsichtlich des entsprechenden Anwendungsgebiets ggf. nicht akzeptabel und außerhalb einer bestimmten Toleranzgrenze liegt, da die Vorwärtsspannung der LEDs 2 zu einem gewissen Teil von den Betriebsparametern wie Strom oder Temperatur abhängig ist. Auch inhärente Intoleranzen im Herstellungsprozess von LEDs führen hier zu einer gewissen Schwankung im Stromfluss.
Als Alternative zur Nutzung eines einfachen Widerstands kann dementsprechend auch ein Strombegrenzer entsprechend der Darstellung von Figur 4 realisiert werden. Hier sind der Einfachheit halber lediglich ein einzelner nicht-begrenzter Strompfad 111 gezeigt sowie darunter ein Strompfad 112 mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten, komplexeren Strombegrenzer 15. Dieser besteht in diesem Fall aus zwei Transistoren sowie zwei Widerständen, welche zu einer sog. Konstantstromsenke verschaltet sind. Der Transistor Q2 steuert in diesem Fall den Transistor Ql an, um einen konstanten Stromfluss über den LED-Strang 112 zu erzwingen. Der Wert des eingestellten Stroms wird hierbei durch den Widerstand Rl festgelegt, der Widerstand R2 dient der
Vorspannung des Transistors Ql . Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform könnte anstelle des dargestellten Bipolar-Transistors Ql auch ein n-Kanal MOSFET- Transistor zum Einsatz kommen, der Transistor Q2 könnte wiederum durch zwei Dioden ersetzt werden. Ferner wären unter Nutzung des erfindungsgemäßen Prinzips auch weitere Varianten zur Realisierung eines Strombegrenzers denkbar, bei denen der Stromfluss dann nicht mehr von der Vorratsspannung der LEDs abhängt und dementsprechend exakt auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann.
Eine zweite erfindungsgemäße Lösung zum Betreiben vorzugsweise identischer LEDs mit unterschiedlicher Leistung in einer gemeinsamen Schaltungsanordnung soll nachfolgend anhand der Figuren 5 bis 8 erläutert werden.
Figur 5 zeigt dabei, das der Erfindung zugrunde liegende grundsätzliche Prinzip, wobei wiederum zunächst von einem klassischen seriell-parallelen LED-Array ausgegangen wird, welches im oberen Bereich von Figur 5 dargestellt ist und k parallele LED- Stränge 11 mit jeweils m LEDs 2 aufweist.
Das zweite erfindungsgemäße Prinzip sieht nunmehr vor, dass zumindest ein Teil der ursprünglichen LED-Stränge 11 abschnittweise in eine abweichende Anzahl von parallelen LED-Strängen 21 verzweigt. Es resultiert hieraus ein neues seriell-paralleles LED-Array 20, welches sozusagen in das ursprüngliche Array 10 integriert bzw.
eingebettet ist und im Nachfolgenden auch als Unter-Array bezeichnet wird. Dieses Konzept ist in der unteren Hälfte von Figur 5 erkennbar, wobei in diesem Fall die k eingangsseitigen LED-Stränge 11 in ihrem mittleren Bereich in i seriell-parallele LED- Stränge 21 verzweigen, so dass hier das oben angesprochene Unter-Array gebildet 20 ist.
Die Anzahl der verzweigten Stränge i ist dabei größer als die Ursprungsanzahl k, wobei die Anzahl j der in den verzweigten Strängen 21 befindlichen seriellen LEDs jeweils identisch, unabhängig vom Grad der Verzweigung ist und der entsprechend ursprünglichen Anzahl entspricht. Mit anderen Worten, unabhängig davon, über welchen Pfad das erfindungsgemäße gesamte LED-Array vom Eingangspunkt 5 bis zum Ausgangspunkt 6 durchlaufen wird liegen, auf diesem Pfad immer identisch viele LEDs, im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt m LEDs. Die Anzahl von in Serie befindlichen LEDs ist also unabhängig von dem entsprechenden Pfad immer konstant.
Für die LED-Stränge 21 des Unter- Arrays 20 gilt dann bzgl. des hier vorliegenden Stromflusses Inested branch folgende Gleichung:
Inested branch = Ibranch ' k / Ϊ
Ibranch bezeichnet hierbei den Stromfluss vor der Verzweigung. Voraussetzung hierfür ist, dass - wie bereits erwähnt - die Anzahl der verzweigten Stränge i größer ist als die Anzahl der ursprünglichen Stränge k, also i > k sein muss und sich das Unter-Array 20 lediglich über einen Teilabschnitt der gesamten Anordnung erstreckt, also 1 < j < m.
Der Gesamtstromfluss in den LED-Strängen, bevor diese verzweigen, wird also nahezu gleichmäßig auf die verzweigten Stränge nach dem Verzweigungspunkt 7 aufgeteilt. Auf diesem Wege kann der Stromfluss durch das neu integrierte Unter- Array 20 auf einen anderen Stromwert als in den nicht-verzweigten Bereichen bzw. nicht-verzweigten LED-Strängen reduziert werden, wobei durch Einstellung des Verhältnisses der Anzahl der Stränge vor und nach Verzweigung das Verhältnis der Stromwerte eingestellt werden kann. In den sich an das Unter- Array 20 anschließenden Bereichen entspricht dann der Stromfluss wieder dem ursprünglichen Wert.
Die Vorwärtsspannung einer LED hängt bekanntlicherweise von der Höhe des entsprechenden Stromflusses durch sie ab, wobei die Vorwärtsspannung mit steigendem Stromfluss ansteigt. Ferner liegt auch eine Temperaturabhängigkeit vor, wobei ein Anstieg der Temperatur wiederum zu einer Reduzierung der
Vorwärtsspannung führt. Die niedrigeren Ströme in den Unter- Arrays 20 führen also wiederum zu niedrigeren LED-Temperaturen. Normalerweise ist dabei der Effekt der Reduzierung der Vorwärtsspannung aufgrund des niedrigeren Stromflusses höher als der aufgrund des Temperaturabfalls sich ergebende Anstieg. Dies hat zur Folge, dass in den Zweigen eines Unter-Arrays 20 die Vorwärtsspannungen an den LEDs geringfügig niedriger sein werden als in den nicht-verzweigten Bereichen, also Vf LED (Ibranch, TLED OSP) > Vf LED (Inested branch, TLED BSP)
TLED OSP stellt hierbei die Temperatur der LEDs vor dem Verzweigungspunkt 7 und nach dem Zusammenführungspunkt 8 dar während TLED BSP die Temperatur der LEDs nach dem Verzweigungspunkt bzw. in dem Unter- Array 20 beschreibt.
Um im Sinne eines effizienten LED-Betriebs sicherzustellen, dass alle LEDs mit idealer Vorwärtsspannung betrieben werden, kommen deshalb vorzugsweise
Kompensationswiderstände zum Einsatz, insb. dann, wenn nicht alle Stränge des ursprünglichen LED-Arrays in gleicher Weise verzweigt wurden. Diese Widerstände 25 sind derart dimensioniert, dass sie die Differenz in der Vorwärtsspannung im Bereich des Unter-Arrays 20 kompensieren.
Eine erste Möglichkeit zur Anordnung der erwähnten Kompensationswiderstände 25 besteht darin, diese entsprechend der Darstellung von Figur 5 im Bereich vor der Verzweigung anzuordnen. Für die Höhe der Kompensationswiderstände 25 gilt dann folgende Beziehung:
Rcomp = j ' (Vf LED (Ibranch, TLED OSP) _ Vf LED (Inested branch, TLED BSP)) Ibranch Die Anordnung der Kompensationswiderstände 25 kann dabei sowohl vor dem
Verzweigungspunkt als auch nach dem Punkt, an dem die verzweigten Stränge wieder zusammengeführt werden, erfolgen. In beiden Fällen gilt der oben genannte
Zusammenhang. Alternativ hierzu könnten die Kompensationswiderstände 25 allerdings auch innerhalb des Unter- Arrays 20 angeordnet werden, wie die Darstellung von Figur 6 zeigt. In diesem Fall gilt allerdings folgender Zusammenhang: Rcomp alt = j "(V f LED (Ibranch, TLED OSP) _ Vf LED (Inested branch, TLED BSP)) Inested branch
Für den Fall, dass der durch den niedrigeren Stromfluss hervorgerufene
Spannungsabfall in der Vorwärtsspannung niedriger ist als der durch die niedrigere Temperatur veranlasste Anstieg, hat dies zur Folge, dass in den verzweigten Zweigen des Unter- Arrays die Vorwärtsspannung etwas höher ist, also
Vf LED (Ibranch, TLED OSP) < Vf LED (Inested branch, TLED BSP) gilt. In diesem Fall werden Kompensationswiderstände 25 in den nicht- verzweigenden LED-Strängen 11 benötigt, wie dies in Figur 7 gezeigt ist. Für den Widerstandswert gilt in diesem Fall:
Rcomp = j-(Vf_LED(Inested_branch, TLED BSP) _ Vf_LED(Ibranch, TLED OSP)) Ibranch Der Einsatz der Kompensationswiderstände 25 ist hier insbesondere dann erforderlich, wenn nur ein Teil der LED-Stränge des Arrays in der erfindungsgemäßen Weise verzweigt wird. Für den Fall hingegen, dass alle Zweige in gleicher Weise verzweigt werden, ist keine Kompensation erforderlich, da das Array 10 automatisch
ausbalanciert ist, d.h., die Vorwärtsspannung ist unabhängig vom Pfad des
Stromflusses identisch.
Die Figuren 8a bis 8e zeigen abschließend einige denkbare Möglichkeiten zum
Implementieren des erfindungsgemäßen Gedankens der eingebetteten Unter-Arrays, wobei denkbar ist, dass durchaus verzweigte LED-Stränge zu einem späteren Punkt nochmals weiter verzweigt werden können, um eine Kaskade zu bilden. Ferner können auch LED-Stränge zusammengeführt werden (siehe Fig. 8c), was einer inversen Verzweigung entspricht, allerdings keinen Einfluss auf den erfindungsgemäßen Effekt der unterschiedlichen Stromzufuhr hat. Die sich ergebenden Stromflüsse insb. im Verhältnis zu dem der Anordnung insgesamt zugeführten Konstantstrom, der durch das Versorgungsgerät zur Verfügung gestellt wird, sind dabei in den Figuren gezeigt, wobei erkennbar ist, dass durch den Gedanken des Verzweigens also die Möglichkeit besteht, den Stromfluss auf einen Wert, der einem rationalen Bruch des ursprünglichen Stromwerts in einem unverzweigten Abschnitt entspricht, herabzusetzen. Damit bestehen zwar im Vergleich zu der ersten erfindungsgemäßen Variante mit den Strombegrenzern etwas geringere Möglichkeiten zur Wahl des jeweiligen
Stromflusses, allerdings ist hier der zur Realisierung erforderliche Aufwand etwas geringer und der durch die Kompensationswiderstände hervorgerufene
Leistungsverlust äußerst gering, so dass insgesamt eine etwas höhere Effizienz erzielt wird.
Insgesamt besteht allerdings bei beiden alternativen erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnungen die Möglichkeit, LEDs trotz gemeinsamer Stromversorgung mit unterschiedlichen Leistungen zu betreiben. Dies eröffnet dann die Möglichkeit, die LEDs mit jeweils unterschiedlicher Leistung zu verschiedenen Aufgaben zu
verwenden. Bspw. könnten diejenigen LEDs, die mit reduzierter Leistung betrieben werden, zur Realisierung einer Indirektbeleuchtung und/oder eines Akzentlichts genutzt werden, während hingegen die LEDs mit der maximalen Leistung für eine Direktbeleuchtung eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist darauf
hinzuweisen, dass die Anordnung der LEDs innerhalb der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung nichts über deren Position bspw. innerhalb einer Leuchte aussagt. Selbstverständlich können diejenigen LEDs, welche mit einem anderen Strom, also einer anderen Leistung betrieben werden, trotz der Tatsache, dass sie Bestandteil einer gemeinsamen Schaltungsanordnung sind, derart in der Leuchte platziert werden, dass z.B. ihre Lichtabgabe entgegengesetzt zur Lichtabgabe der weiteren LEDs erfolgt.

Claims

Ansprüche
1. LED-Schaltungsanordnung (1) mit mehreren parallel verschalteten LED-Strängen (11), welche zur Versorgung durch ein gemeinsames Betriebsgerät (3) vorgesehen sind,
wobei in einer Teilmenge der LED-Stränge (11), welche zumindest einen LED-Strang umfasst, jeweils ein Element zur Strombegrenzung (15) angeordnet ist.
2. LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die LED-Stränge (1 1) mit einem Strombegrenzungselement (15) im Vergleich zu den nicht-begrenzten LED-Strängen (11) eine reduzierte Anzahl von LEDs (2) aufweisen.
3. LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in den strombegrenzten LED-Strängen unterschiedliche Stromwerte durch die Strombegrenzungselemente (15) eingestellt werden.
4. LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strombegrenzungselemente (15) durch Widerstände gebildet werden.
5. LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strombegrenzungselemente (15) durch Transistoren (Ql) gebildet werden.
6. LED-Schaltungsanordnung (1) mit mehreren parallel verschalteten LED-Strängen (11), welche zur Versorgung durch ein gemeinsames Betriebsgerät (3) vorgesehen sind,
wobei ein oder mehrere LED-Stränge (11) abschnittsweise in eine größere Anzahl von parallelen LED-Strängen (21) verzweigen.
7. LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anzahl von in Serie geschalteten LEDs unabhängig vom durchlaufenen Pfad von einem Eingangspunkt der Schaltungsanordnung (1) bis zu einem Ausgangspunkt dieser ist.
8. LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese Kompensationswiderstände (25) aufweist, welche in den unverzweigten Bereichen oder in den verzweigten Bereichen angeordnet sind.
9. LED-Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle LEDs (2) im Wesentlichen identisch sind.
10. LED-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltungsanordnung (1) verschiedene LEDs beinhaltet.
11. Beleuchtungsanordnung mit einem Betriebsgerät (3) sowie einer von dem Betriebsgerät (3) versorgten LED-Schaltungsanordnung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
12. Platine zur Bestückung mit LEDs, aufweisend Bestückungsplätze für LEDs, welche über Leiterbahnen derart miteinander verbunden sind, dass sich eine LED- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ergibt.
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