EP2989858B1

EP2989858B1 - Led-schaltungsanordnung

Info

Publication number: EP2989858B1
Application number: EP14721283.1A
Authority: EP
Inventors: Cristian OLARIU
Original assignee: Zumtobel Lighting GmbH Austria
Current assignee: Zumtobel Lighting GmbH Austria
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: EP2989858A2; DE202013101793U1; WO2014173879A3; WO2014173879A2

Description

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 Schaltungsvariante 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: $I_{branch} ≅ I_{ballast} / n$
I_branch entspricht hierbei dem Strom innerhalb eines einzelnen LED-Strangs, während hingegen I_ballast dem von dem Betriebsgerät 300 zur Verfügung gestellten Konstantstrom entspricht. Für den Spannungsabfall V_{f_array} über das LED-Array 310 ergibt sich ferner folgender Zusammenhang $V_{f_array} = m \cdot V_{f_LED}$
wobei V_{f_LED} der Vorwärtsspannung der LEDs entspricht, und die Gesamtleistung des Arrays bestimmt sich wie folgt: $P_{tot} = m \cdot V_{f_LED} \cdot I_{ballast}$
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.
In US 2013/0063035 A1 ist eine dimmbare LED-Leuchte mit einstellbarer Farbtemperatur gezeigt. Die Farbtemperatur wird hierbei durch möglichst homogene Mischung des durch einen weißen LED-Strang abgegeben Lichts mit einem farbigen Licht, welches von farbigen LEDs in einem weiteren LED-Strang erzeugt wird, realisiert. Der weitere LED-Strang ist hierbei parallel zum weißen LED-Strang ausgebildet, und teilt sich zudem in zwei parallele Stränge auf, wobei der eine Teilstrang lediglich grüne LEDs und der andere Teilstrang lediglich rote LEDs enthält. Der weitere LED Strang mit farbigen LEDs ist zudem mit Stromreglern ausgestattet, um den Strom in diesem Strang möglichst konstant zu halten, sodass bei Dimmung, also bei Reduzierung der in der LED-Leuchte umgesetzten Leistung, der Anteil des farbigen Lichts steigt, was eine wärmere Farbtemperatur des gedimmten Lichts zur Folge hat.
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 Merkmal des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass innerhalb eines LED-Arrays ein oder mehrere LED-Stränge abschnittsweise in eine größere oder kleinere 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 nicht-verzweigten Bereichen bzw. als die nicht-verzweigenden LED-Stränge. In einer weiteren Ausführung ist das Verzweigen der Stränge dabei derart, dass ein oder mehrere verzweigte parallele LED-Stränge sich abschnittsweise in eine größere Anzahl von weiteren parallelen LED-Strängen verzweigen können. Das Verzweigen der Stränge ist erfindungsgemäß 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 gemäß einer weiteren Ausführung 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. Erfindungsgemäß ist auch bei dieser Variante vorgesehen, dass alle LEDs der Schaltungsanordnung identisch sind.
Letztendlich erlaubt also die erfindungsgemäße zweite Variante, 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 einer Schaltungsanordnung zur Ausgestaltung eines LED-Arrays mit LED-Strängen, die mit unterschiedlicher Leistung betrieben werden;
Figur 4: eine Variante zur Gestaltung eines bei der Schaltungsanordnung zum Einsatz kommenden Strombegrenzers;
Figur 5: ein Schema zur Verdeutlichung des 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 der Kompensationswiderstände und
Figur 8a bis 8e: unterschiedliche Varianten zur Realisierung eines erfindungsgemäßen LED-Arrays gemäß der erfindungsgemäßen Lösung.

Im Folgenden sind Teile der Beschreibung und Figuren, welche sich auf Ausführungsformen beziehen, die nicht durch die Ansprüche abgedeckt sind, nicht als Ausführungsformen der Erfindung, sondern als nützliche Beispiele zum erleichterten Verständnis der Erfindung zu verstehen.
Figur 3 verdeutlicht den der ersten 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 I_ballast 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 11, welche nicht strombegrenzt sind, jeweils m LEDs beinhalten.
Der 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: $I_{non_\lim ited} ≅ (I_{ballast} - \sum_{k = 1}^{j} I_{\lim ited_k}) / (n - j)$
wobei I_{limited_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 I_ballast, also $\sum_{k = 1}^{j} I_{\lim ited_k} < I_{ballast}$
gilt. Der entsprechende Differenzbetrag wird dann entsprechend der obigen Formel gleichmäßig auf die nicht-begrenzten LED-Stränge aufgeteilt.
Für den Spannungsabfall über das gesamte ausgestaltete LED-Array 1 gilt: $V_{f_array} = m \cdot V_{f_LED}$
Ferner gilt für die gesamte Leistungsaufnahme des LED-Arrays: $P_{tot} = m \cdot V_{f_LED} \cdot I_{ballast}$
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 i_k der in dem entsprechenden begrenzten Strang zum Einsatz kommenden LEDs entspricht, größer oder zumindest gleich dem minimalen Spannungsabfall V_{drop_limiter_k_min} ist, der von dem Strombegrenzer in dem entsprechenden Strang benötigt wird. Es muss also gelten: $(m - i_{k}) \cdot V_{f_LED} \geq V_{drop_\lim iter_k_\min}$
Erkennbar ist also, dass mit Hilfe der 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 Ausführungsform zu realisieren, besteht darin, dass entsprechend der Darstellung von Figur 3 die Strombegrenzer 15 jeweils durch Widerstände R₁ bis R_j 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 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 Q1 an, um einen konstanten Stromfluss über den LED-Strang 11₂ zu erzwingen. Der Wert des eingestellten Stroms wird hierbei durch den Widerstand R1 festgelegt, der Widerstand R2 dient der Vorspannung des Transistors Q1. Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform könnte anstelle des dargestellten Bipolar-Transistors Q1 auch ein n-Kanal MOSFET-Transistor zum Einsatz kommen, der Transistor Q2 könnte wiederum durch zwei Dioden ersetzt werden. Ferner wären unter Nutzung des 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 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 I_{nested_branch} folgende Gleichung: $I_{nested_branch} ≅ I_{branch} \cdot k / i$
I_branch 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 $V_{f_LED} (I_{branch,} T_{LED_OSP}) \geq V_{f_LED} (I_{nested_branch,} T_{LED_BSP})$
T_{LED_OSP} stellt hierbei die Temperatur der LEDs vor dem Verzweigungspunkt 7 und nach dem Zusammenführungspunkt 8 dar während T_{LED_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: $R_{comp} = j \cdot (V_{f_LED} (I_{branch,} T_{LED_OSP}) - V_{f_LED} (I_{nested_branch,} T_{LED_BSP})) / I_{branch}$
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: $R_{comp_alt} = j \cdot (V_{f_LED} (I_{branch,} T_{LED_OSP}) - V_{f_LED} (I_{nested_branch,} T_{LED_BSP})) / I_{nested_branch}$
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 $V_{f_LED} (I_{branch,} T_{LED_OSP}) < V_{f_LED} (I_{nested_branch,} T_{LED_BSP})$
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: $R_{comp} = j \cdot (V_{f_LED} (I_{nested_branch,} T_{LED_BSP}) - V_{f_LED} (I_{branch,} T_{LED_OSP})) / I_{branch}$
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 sowohl bei der ersten Schaltungsanordnung als auch bei der zweiten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 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.
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

LED-Schaltungsanordnung (1) mit mehreren parallel verschalteten LED-Strängen (11), welche zur Versorgung durch ein gemeinsames Betriebsgerät (3) vorgesehen sind,
wobei sich ein oder mehrere LED-Stränge (11) abschnittsweise in eine größere oder kleinere Anzahl von parallelen LED-Strängen (21) verzweigen
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verzweigen der LED-Stränge derart ist, dass unabhängig davon, über welchen Pfad Strom von einem Eingangspunkt bis zu einem Ausgangspunkt der LED-Schaltungsanordnung (1) verläuft, immer eine identische Anzahl von LEDs (2) durchlaufen wird,
wobei alle LEDs (2) im Wesentlichen identisch sind.
LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein oder mehrere parallele LED-Stränge (21) sich abschnittsweise in eine größere Anzahl von weiteren parallelen LED-Strängen verzweigen.
LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die größere Anzahl von weiteren parallelen LED-Strängen sich wiederum zu ein oder mehreren parallelen LED-Strängen (21) zusammenfügt, wobei die Anzahl der zusammengefügten LED-Stränge (21) einer Ursprungsanzahl an LED-Strängen (21) vor dem Verzweigen entspricht.
LED-Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese Kompensationswiderstände (25) aufweist, welche in den unverzweigten Bereichen oder in den verzweigten Bereichen angeordnet sind.
Beleuchtungsanordnung mit einem Betriebsgerät (3) sowie einer von dem Betriebsgerät (3) versorgten LED-Schaltungsanordnung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
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 4 ergibt.