EP3449692A1 - Verfahren zur regelung eines led-moduls - Google Patents

Verfahren zur regelung eines led-moduls

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EP3449692A1
EP3449692A1 EP17720502.8A EP17720502A EP3449692A1 EP 3449692 A1 EP3449692 A1 EP 3449692A1 EP 17720502 A EP17720502 A EP 17720502A EP 3449692 A1 EP3449692 A1 EP 3449692A1
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EP
European Patent Office
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switch
bridge
current
led module
circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17720502.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Clemens KUCERA
Frank Lochmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tridonic GmbH and Co KG
Original Assignee
Tridonic GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Tridonic GmbH and Co KG filed Critical Tridonic GmbH and Co KG
Publication of EP3449692A1 publication Critical patent/EP3449692A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the invention relates to a method and a circuit arrangement for operating light sources, in particular a load such as light-emitting diodes (LED), and a lamp.
  • a load such as light-emitting diodes (LED)
  • the light source such as a light emitting diode is also referred to as a lamp.
  • LED lights To operate LED lights typically power factor corrected power supplies are used. Since an LED track, in particular a dimmable LED track, is not a constant load, these power supplies are usually regulated. For this purpose, a monitoring of the output voltage or the output current of the power supply is often performed. This output voltage or the output current is used as a controlled variable.
  • the present invention is based on the object to provide a method and a circuit arrangement which ensure safe and trouble-free operation of a variable color LED module.
  • the invention also relates to a lighting system.
  • the object of the invention is also to ensure the current regulation or the power control of an LED module in more detail.
  • a first aspect of the invention relates to a method for controlling, in particular for controlling the current and adjusting the color of an LED module by means of a
  • a half-bridge circuit this is formed by an active half bridge with two clocked switches and a passive half bridge with two capacitors. Since only one active half-bridge is present, this circuit is generally referred to as a half-bridge circuit.
  • the LED module is interconnected in the bridge branch.
  • the LED module has two antiparallel strands.
  • a bridge diagonal of the half-bridge circuit or full-bridge circuit is activated, in which a switch is actively clocked and the capacitance lying in the diagonal or, in the case of a full-bridge circuit, a closed (low-frequency clocked) switch Current flow takes over.
  • the feedback variable used for the regulation is a measured actual value representative of the mean value of the lamp current, which is compared with a reference value as the nominal value.
  • the invention also relates to a color tunable module and more particularly to an LED module which permits color and / or color temperature adjustment.
  • the inventive allows the color and / or color temperature of the light emitted by the module to be adjusted to a mixed color or color temperature.
  • Circuit arrangement with the LED module allow dimming, ie a reduction in the brightness of the emitted light, which is typically referred to as percentages, for example, a dimming of 50% means a reduction of the emitted brightness to 50% and a dimming of 95% refers to the fact that the
  • Brightness is reduced to 5% of maximum brightness. Dimming may preferably be done by inserting a waiting time before the active switch is switched back on, which may be emitted by the LED module
  • Brightness can be adjusted and / or through
  • Switch in the example of Figure 2 switch Sl are adaptively adjusted. The latter can be achieved, for example, by adjusting the switch-off threshold for the lamp current.
  • the invention thus provides a color tunable module according to the independent claims. Further aspects of the invention are the subject of the dependent claims.
  • a color tunable LED module comprising: an LED array having at least two LED strands, each having at least one preferably white LED, the LED strands being connected in an anti-parallel manner and the LED strands emit different spectra, preferably white spectrums of different color temperature, and circuitry that drives the LED array and is configured to output a DC voltage by respectively activating a bridge diagonal between two polarities is switched, wherein the relative activation of the bridge diagonal and thus the duty cycle of the polarities, ie the ratio of the first period of a first polarity compared to the second period of a second polarity, is adjustable.
  • a third time period are inserted, in which no bridge diagonal is activated.
  • the third period of time can be achieved, for example, by inserting a waiting time before switching the active-clocked switch back on.
  • the control unit may be a color tuning signal and / or a
  • the control unit can send at least one control signal to the
  • Output operating device It may vary the activation of the bridge diagonal and thus the duty cycle of the at least one polarity based on the particular tuning / dimming signal.
  • the operating device can activate the
  • the brightness emitted by the LED module can be adjusted.
  • the LED module can only be connected to the driver circuit by two wires.
  • the operating device may set the duty cycle of the polarities based on the tuning signal.
  • the operating device can supply at least the first LED chain when the operating device activates a bridge diagonal and thus switches to a polarity.
  • the operating device can at least the second LED chain supply if the operating device activates the opposite bridge diagonal and thus switches to the opposite polarity.
  • the operating device may perform dimming of the LED strings by changing the duty cycle of the current turn-on operation of the active-clocked switch.
  • the duty cycle of the current turn-on of the active clocked switch can be reduced according to a dimming signal.
  • the module may be a flexible band, a strip, a chain or a punctiform device.
  • the half-bridge circuit has the advantage that compared to the full-bridge circuit can be dispensed with two active-clocked switch and also the required control including the high-side control for the upper of the two switches can be omitted.
  • the duty cycle of the current switch-on of the active clocked switch and / or a subsequent switch-on can be set.
  • the duty cycle of the active clocked switch can be changed only every n-th switch-on, where n is greater than or equal to 2.
  • the duty cycle of the active clocked switch can be changed, for example, over the time of switching off the active clocked switch as a control variable.
  • the duty cycle can be achieved by adaptively specifying a turn-off level of a measured one for the lamp current representative sizes are set, wherein when the switch-off level of the active clocked switch is turned off.
  • a control variable of the current or power control may alternatively or additionally to the timing of the active clocked switch, the level of the
  • Half-bridge circuit or full bridge circuit supplying DC bus voltage can be used.
  • the bus voltage can be generated by means of an active PFC circuit, wherein the level of the generated bus voltage is carried out by changing the timing of a switch of the PFC circuit.
  • the average value of the lamp current measured actual value can be a sample of the lamp current, preferably measured at half the turn-on time of the active clocked switch.
  • the representative of the average value of the lamp current actual value can be determined by a continuous measurement of the lamp current (or a representative size).
  • the continuously measured lamp current may be compared to a reference value, and the actual value representative of the mean value may be the duty cycle of the comparison value over the turn-on period of the active-switched switch.
  • the duty cycle can be determined using a bidirectional digital counter.
  • the reference value may be of a predetermined dimming value and / or the measured lamp voltage.
  • the invention also relates to an integrated circuit, in particular ASIC, which is designed to carry out a method as stated above.
  • a control unit activates a bridge diagonal by activating the switch of the bridge diagonal and the diagonal capacitance takes over the current flow, whereby the LED module is supplied with a high-frequency voltage.
  • the control unit is returned a representative of the average value of the lamp current measured actual value, which is compared with a reference value. Depending on a difference between the actual value and the setpoint value, the control unit can set the duty cycle of the current switch-on operation of the actively switched switch and / or a subsequent switch-on operation.
  • the control unit can change the duty cycle of the active clocked switch only every n-th switch-on, where n is greater than or equal to 2.
  • the control unit may change the duty cycle of the active clocked switch over the time of switching off the active clocked switch as a control variable.
  • the control unit may adjust the duty cycle by adaptively specifying a turn-off level of a measured one of the Set lamp current representative sizes, the control unit switches off when reaching the switch-off level of the active clocked switch.
  • the control unit can also control a DC link circuit and receive feedback signals from the DC link circuit, the DC link voltage carrying the DC link circuit
  • control unit can use the level of the DC bus voltage supplying the half-bridge circuit or full-bridge circuit as the control variable of the current or power control.
  • an active PFC circuit may be provided, wherein the control unit carries out the level of the generated bus voltage by changing the timing of a switch of the PFC circuit.
  • the control unit can be fed back as a measured value representative of the average value of the lamp current, a sample of the lamp current, preferably measured at half the turn-on time of the active clocked switch.
  • the control unit can continuously measure the lamp current (or a variable representative thereof) for determining the actual value representative of the mean value of the lamp current.
  • the control circuit may comprise a comparator which supplies the continuously measured lamp current with a Reference value compares and the control circuit used as the representative of the average value, the duty cycle of the output signal of the comparator.
  • the output of the comparator may be fed to a bidirectional digital counter of the control circuit.
  • the control circuit may set the reference value depending on an externally or internally predetermined dimming value and / or the measured and the control circuit supplied lamp voltage.
  • the invention provides a simplified driver for a color tunable LED module, comprising: an LED array having at least two LED strands, each having at least one preferably white LED, the LED strands in connected in an anti-parallel manner and the LED strands different spectra, preferably white spectra with different color temperature, emit, and a circuit that drives the LED array and is configured to output a DC voltage or a direct current by activating respectively a bridge diagonal between two polarities is switched, the relative activation of the bridge diagonal and thus the relative duty cycle of the polarities, ie the ratio of the time period of a first polarity compared to the period of a second polarity, is adjustable.
  • the brightness of the respective LED string can within a activation period of each bridge diagonal by setting the
  • FIG. 1 shows an inventive operating device for interconnected in a half-bridge LED modules
  • FIG. 2 shows in detail a half-bridge circuit for the operation of a lamp and the measurement signals which can be tapped off from it,
  • FIG. 3 shows the course of activation signals from
  • Figure 4 shows the structure of a control of
  • FIG. 5 shows the time profile of signals of the control of FIG. 4,
  • Fig. 6 shows a circuit
  • Fig. 7a shows a first diagram
  • Fig. 7b shows a second diagram, which the
  • FIG. 8 shows an operating device according to the invention for LED modules connected in a full bridge
  • FIG. 9 shows in detail a full bridge circuit for operating an LED module as well as measuring signals which can be picked up therefrom.
  • Fig. 1 shows an operating device for operating LED modules.
  • Figures 1 and 2 relate to an embodiment with an active half-bridge, while Figures 6, 8 and 9 show an embodiment with two interconnected as a full bridge half-bridges. Therefore, the majority of the description of Figures 1 and 2 can also be transferred to Figures 6, 8 and 9 (as much of the description of Figures 6, 8 and 9 can be transferred to Figures 1 and 2). In addition, there is essentially provided a control for the two other switches.
  • the operating device On the input side, the operating device has a mains voltage supplied rectifier GR, to which an active power factor correction circuit PFC (Power Factor Correction) adjoins, which acts as a boost converter.
  • the PFC circuit has an inductance 16 in series with a diode D9, wherein the inductance 16 is magnetized upon turning on a switch S6, charging a capacitor C6, and demagnetizing with the switch S6 turned off, so that the capacitor C6 sets a boosted DC voltage Uo having a triangular ripple at the frequency of the timing of the switch S6.
  • the power factor Power Factor Correction
  • Correction circuit PFC for example, by an isolated flyback converter (flyback converter) or by a SEPIC converter are formed.
  • the operating device shown in Fig. 1 comprises a half-bridge circuit with two switches Sl and S2 and two capacitors CS3 and CS4 and an LED module EL. A description of the further elements will be given with reference to FIG. 2.
  • the control unit feedback signals from the range of PFC DC link voltage can be returned, such as. :
  • the control unit can adjust the level of the output voltage by clocking the switch S6 and preferably digitally control it by means of the returned bus voltage.
  • the control unit can be fed back feedback signals from the range of the load circuit containing the LED module EL with the half-bridge circuit:
  • the bridge branch current by means of a tap A2 (inductive or by tapping at the midpoint of the switches Sl and S2).
  • the LED module EL has an anti-parallel arrangement of LED.
  • the circuit arrangement shown is particularly for the operation of LED modules with an anti-parallel arrangement of LED suitable, the two antiparallel strands differ in particular by a different color temperature or wavelength of the corresponding LED in each strand.
  • the LEDs of the two antiparallel strands may also differ in their color rendering or their binning class.
  • FIG. 2 shows in detail the half-bridge circuit with the feedback signals:
  • the circuit arrangement shown in Figure 2 comprises a bridge circuit with an upper and a lower diagonal point 1, 2 and a right diagonal point 3.
  • the left diagonal point can not be clearly identified.
  • the bridge circuit has four bridge branches 4, 5, 6, 7.
  • the bridge branches 4 and 6 each contain a switch element in the form of a FET.
  • the switch elements are denoted by Sl and S2.
  • the DC voltage source can be supplied to the circuit arrangement via a bus. But it is also possible that the DC voltage is generated in a conventional manner by inverting the mains voltage.
  • the branch PZ1 includes in series an LED module EL with an anti-parallel arrangement of LED, wherein the two anti-parallel strands differ in particular by a different color temperature or wavelength of the corresponding LED in each strand, and an inductance L2.
  • the branch PZ1 has a diode network consisting of four diodes D1, D2, D3 and D6.
  • the diode D1 connects the inductance L2 to the one terminal of the FET S1, namely the one which is not connected to one pole of the DC voltage source.
  • the other terminal of the FET Sl is connected to the positive pole of the DC voltage source.
  • the diode D2 connects the inductor L2 to a terminal of the FET S2, namely to the one which is not connected to one pole of the DC voltage source.
  • the other terminal of the FET S2 is located at the junction of the half-bridge branch 6 with the half-bridge branch 7.
  • the diode D3 connects the not connected to the negative pole of the DC voltage source terminal of the FET S2 to the positive pole of the DC voltage source.
  • the diode D6 connects the not lying on the positive pole of the DC voltage source terminal of the FET Sl with the negative pole of the DC voltage source.
  • the diodes Dl and D2 are poled on passage.
  • the diodes D3 and D6 are poled in the reverse direction.
  • a capacitor C2 is connected in parallel with the LED module EL in parallel as a filter or smoothing capacitor. This one can be in Operation smooth the lamp voltage and maintained during the demagnetization of the inductance L2, the lamp voltage.
  • a low-impedance shunt Rl is interposed, which, however, serves only for the measurement of currents and has no measurable influence on the voltages in the circuit.
  • FIG. 3 waveforms with activated bridge diagonal A / D (in the designation as in FIG. 2) are shown.
  • the switch S1 is actively clocked and switched on between the times T31 and T32 (time duration tcw).
  • the linearly increasing lamp current Ilamp can only be detected during the period toN at the shunt R1, during which the switch S1 is switched on.
  • the lamp current can not be detected by means of the shunt Rl.
  • the switch-on time of the high-frequency clocked switch can be determined by the monitoring of the current flowing through the inductor L2 branch current iL2. For example, it can be monitored whether the branch current iL2 flowing through the inductance L2 has again fallen to zero or whether the inductance L2 has been demagnetized. This can be done by means of a secondary winding at the inductance L2 or by means of a monitoring of the midpoint voltage between the switches Sl and S2.
  • the cut-off time of the actively-clocked switch in the example of FIG. 2 switch S1) is now made adaptive so that, as a result, the turn-on time duration toN is variable.
  • the adaptation takes place on the basis of a feedback signal, which is representative of the average value of the lamp current (averaging over one or more switch-on periods of the active clocked switch). By controlling the average value of the lamp current, the lamp current or power regulation is much more accurate.
  • the mean value of the lamp current can be detected by detecting and evaluating a sample value at the instant t 0 n / 2, that is to say half the turn-on time duration toN of the actively-timed switch. If this is higher than the desired average value, the turn-on time or the turn-off current threshold can be reduced, in the current order in a subsequent turn-on of the active clocked switch.
  • the lamp current is continuously detected and returned to the control unit.
  • the lamp current I iamp is compared by a comparator Kl with a reference value I avg_soii.
  • This reference value I avg_soii thus provides the desired mean value for the lamp current and can, for example, from an external or internal Dimmwertvorgabe and / or the height of the lamp voltage depend.
  • This reference value I a vg_soii is a measure of the nominal power.
  • the setpoint input for the mean value of the lamp current must be inversely tracked with fluctuating lamp voltage Ulamp, so that the resulting product of lamp current and lamp voltage remains constantly regulated.
  • constant lamp voltage corresponds of course one
  • the lamp current can be determined indirectly.
  • the lamp current can be determined from the lamp power or the power supplied to the LED module EL and the LED module voltage (lamp voltage).
  • the power supplied to the LED module can be determined, for example, from the product of the output voltage of the PFC circuit and current flowing in the full or half-bridge.
  • the lamp current can be formed by dividing the lamp power or the power supplied to the LED module EL by the lamp voltage.
  • the purpose of the control is that the duty cycle of the output of the comparator Kl during a turn-on time to N of the active clocked switch is 50%.
  • the output signal of the comparator is supplied to a digital up / down counter COUNTER, which is clocked by a timer of the control unit (clock signal CNT_CLK).
  • the counter COUNTER counts in one direction as long as the lamp current Ilamp is below the reference value Iavg_setpoint and in the opposite direction Direction as soon as the lamp current Ilamp exceeds the reference value Iavg_soii.
  • the duty cycle of the comparison signal supplied to the counter COUNTER will be 50% and thus at the end of a switch-on time period the counter reading will correspond exactly to its initial level.
  • This deviation signal ERROR is fed to a preferably digital regulator REGULATOR, which is also clocked by a timer of the control unit by a signal reg_clk.
  • the regulator REGULATOR implements a control strategy (eg PI controller) and controls a manipulated variable which influences the power of the LED module EL, depending on the input signal ERROR and the control strategy.
  • This manipulated variable may, for example, be one or more of:
  • Adaptive switch-off threshold Ipeak and / or
  • the manipulated variable (s) can be changed in the current switch-on process, in each subsequent switch-on process or in every n-th switch-on process, where n is an integer greater than or equal to 2.
  • the output signal of the further comparator K2 controls the switching off gate_off of the active clocked one Switch of the activated bridge diagonal.
  • additional capacitors are provided in each case in each of the two anti-parallel LED strings which are connected in parallel only to a part of the LED of a string. These additional capacitors can serve as additional filter elements.
  • an additional capacitor C3 is arranged to an LED of the first LED string, and an additional C4 to an LED of the second LED string arranged.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 6 for an operating circuit according to the invention for light sources, in particular an LED path, includes a circuit arrangement which has four controllable switches S1-S4, which are connected in a full bridge.
  • a DC voltage Uo is applied, which comes from a suitable DC voltage source of the corresponding operating device (also called electronic ballast), in which the circuit arrangement is used.
  • Freewheeling diodes are in each case connected in parallel with the four switches S 1 -S 4, wherein, for the sake of simplicity, only the free-wheeling diode D 1 connected in parallel to the switch S 1 is shown in FIG.
  • the switches S1-S4 used are preferably field-effect transistors which already contain the freewheeling diodes.
  • Full bridge circuit is arranged to be driven LED module EL.
  • the circuit arrangement shown in Fig. 6 is particularly suitable for the operation of LED modules with an anti-parallel arrangement of LED, wherein the two antiparallel strands differ in particular by a different color temperature or wavelength of the corresponding LED in each strand.
  • the LEDs of the two antiparallel strands of the LED module EL can also differ in their color rendering or their binning class.
  • a smoothing or filtering circuit which has an inductance L2 and a capacitance C2, these components being connected as shown in FIG.
  • a resistor Rl is also connected, which serves as a current measuring or shunt resistor.
  • Borderline mode border operation
  • Discontinuous mode (lopsided operation) is operated.
  • the two bridge diagonals with the switches S 1 and S 4 or S 2 and S 3 are alternately activated and deactivated and thus the respective switches of the two bridge diagonals alternately or complementary to each other and switched off, wherein also upon activation of the bridge diagonal with the switches Sl and S4, the switch Sl high-frequency alternately turned on and off, while according to the activation of the bridge diagonal with the switches S2 and S3, the controllable switch S2 high-frequency alternately turned on and off.
  • the full bridge is at a relatively low frequency, which may be in the range 80-150 Hz in particular, reversed, while the switch Sl or S2 of each activated bridge diagonal also high-frequency, for example, with a frequency of about 45 kHz, alternately turned on and off.
  • This high-frequency switching on and off of the switch Sl or S2 is carried out by means of a high-frequency pulse width modulated control signal of a corresponding control circuit, which is screened by means of the components consisting of the elements L2 and C2 filter or smoothing circuit, so that on the LED module EL only the linear average of the current flowing over the bridge branch branch current iL2 is applied.
  • the pulse-modulated control signal With the aid of the pulse-modulated control signal, the current supplied to the LED module EL or else the supplied power can be kept constant, which is particularly important for the operation of LED modules EL.
  • the low-frequency component of the current supplied to the LED module EL is achieved by switching or reversing the polarity of the two bridge diagonals, i. by switching from Sl and S4 to S2 and S3.
  • the LED module EL is low frequency applied to the supply voltage Uo or grounded in this case, so that essentially applied to the terminals of the LED module EL only the low-frequency component.
  • a current flows through the first strand of the LED module EL or alternatively through the second strand of the LED module EL.
  • the controllable switch S1 or S2 of the respective activated bridge diagonal is closed at a point in time when the branch current i L2 flowing across the inductance L2 has fallen back to zero, preferably when it has reached its minimum.
  • minimum is meant the lower reversal point of the current iL2, although this minimum may well be in the slightly negative current value range.
  • “Closed” means that a control unit in this time range triggers the switching process - the actual closing of the switch, ie its reaching the conductive state usually occurs only when the rising again after the minimum current about once again (this time ascending) zero crossing
  • the monitoring as to whether the branch current iL2 flowing through the inductance L2 has again fallen to zero or whether the inductance L2 has been demagnetized can take place by means of a secondary winding at the inductance L2 or also by monitoring the midpoint voltage between the switches S1 and S2.
  • this current is interrupted iL2, which - as already mentioned - the switch S2 in particular high-frequency and regardless of the switching state of the switch 53 is alternately opened and closed.
  • the opening of the switch S2 has the consequence that the current iL2, while initially on the freewheeling diode Dl of the open switch Sl in the same direction continues to flow, but decreases continuously and can finally reach a negative value.
  • the reaching of this lower reversal point of the current iL2 is monitored and the switch S2 closed again after detecting this lower reversal point, so that the current rises again. That is, that high-frequency switching of the switch S2 occurs whenever the lower reversal point of the current iL2 has been reached.
  • the opening of the switch S2 can be chosen arbitrarily in principle, wherein the time of opening the switch is particularly crucial for the power supply of the LED module EL, so that regulated by appropriately adjusting the opening time, the power or current supplied to the LED or kept constant can be.
  • the time or the maximum value of the branch current iL2 be used.
  • Field effect transistor is that the current already begins to flow upon activation of the corresponding field effect transistor, before the corresponding voltage has dropped to 0 volts.
  • a product supplied to the respective field effect transistor is formed by the product of the current and the voltage, which can destroy the field effect transistor. Therefore, it is advantageous to switch the field effect transistor at a lowest possible current flow, in particular in the vicinity of the current value zero.
  • the current flowing through the inductance L2 current iL2 flows through the free-wheeling diode of Dl when the switch Sl is open and the switch S2 is still open. If the switch S2 is closed and the switch S1 opened, it takes a certain period of time until the electrons could be eliminated from the barrier layer of the freewheeling diode Dl. During this time, the field effect transistor Sl is practically in a conductive state. This means that the field effect transistor S2 during a relatively short period of time to clear the barrier layer of the
  • Freewheeling diode Dl which is associated with the field effect transistor Sl, at the full operating voltage Uo, the approx. 400 volts, is applied, which can also lead to the above-described overloading and possibly even destruction of the field effect transistor S2.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the instantaneous value of the current iL2 and the time at which it reaches its reversal point be known.
  • the instantaneous value of the current iL2 can be determined, for example, by measuring the voltage drop across the resistor Rl.
  • the lower reversal point of the current iL2 can be determined, for example, by a voltage tapped off transformer-wise at the coil L2.
  • a winding or coil (not shown in FIG. 6) can be transformer-coupled to the coil L2, which leads to a differentiation of the current iL2 flowing through the coil L2 and thus permits a statement about the reversal point of the current iL2.
  • Fig. 7 time-dependent the course of the Junction between the switches Sl and S2 voltage applied, the lamp voltage ULED and the current flowing through the coil L2 current iL2 is shown.
  • Fig. 7a the case is shown that during a first period Tl of the circuit arrangement shown in Fig. 6, the bridge diagonal with the switches S2 and S3 is activated, whereas during a subsequent period T2, the bridge diagonal with the switches Sl and S4 is activated , That is, during the period Tl, the switch S3 is permanently closed, and the switches Sl and S4 are permanently open.
  • the switch S2 is switched on and off in a high frequency alternating manner during this time period T1.
  • Fig. 7a From Fig. 7a is particularly apparent that the switch S2 is always closed when the current flowing through the coil L2 current iL2 has reached its lower reversal point, ie its minimum value, so that there is the pulse-like course of the voltage u.
  • the slope of the edges of the current iL2 is determined by the inductance of the coil L2.
  • the high-frequency course of the current iL2 is smoothed by the components L2 and C2, so that the smoothed course of the voltage applied to the LED module EL voltage ULED shown in Fig. 7 results.
  • the switches S2 and S3 are permanently opened, and the switch S4 is turned on permanently.
  • the switch S1 is now switched on and off in a high-frequency manner so that the course of the voltages U1 and ULED shown in FIG of current iL2.
  • this Umpolfrequenz in particular in the range 80 - 150 Hz may be, while the high-frequency clock frequency of the switch S2 (during the period TA and of the switch Sl (during the period T2) may be in the range around 45 kHz.
  • FIG. 7b shows the current waveform iL2 and the state of the second and the third switch 2, 3 during the period T.
  • the two other switches are open in this period T.
  • x2 is its beginning can be determined by reaching a maximum value of iL2 or by a predetermined duration of xl, the second switch S2 is opened and iI2 decreases slowly.
  • the third switch S3 will now also be opened in a third phase x3 from a predetermined time after the opening of the second switch S2.
  • both switches are closed again and the controller returns to the state of the first phase xl.
  • the opening of the third switch S3 - ie the third phase x3 - is omitted, however, if the current iL2 has previously dropped to zero, since in this case no high loads occur when opening switch. Instead, the first phase x is immediately continued and the second switch S2 is opened again.
  • the low-frequency switching between the two bridge diagonals is analogous to the previous embodiment, wherein also here advantageously the current peaks of the current iL2 before and after the switching between the operating phases Tl and T2 can be reduced.
  • the switch-off time of the high-frequency clocked switch can be determined by the fact that the lamp current reaches a fixed predetermined switch-off threshold.
  • this can lead to inaccuracies that the negative current flow range can vary immediately after switching on the switch, which makes the power control inaccurate.
  • the operating device On the output side, the operating device has a
  • a method for controlling a LED module EL means of a half-bridge circuit with two switches or a full bridge circuit with four switches allows, the LED module EL is connected in the bridge branch.
  • the first bridge diagonal is activated by a first switch S1 being actively clocked in a first time interval T1.
  • a second switch S2 is actively clocked, thus activating the second bridge diagonal.
  • the LED module EL has two anti-parallel strands, wherein the two anti-parallel strands in particular by a different
  • each active clocked switch Sl or S2 becomes a
  • the average current through the LED module EL and thus the by the LED module EL emitted brightness can be adjusted.
  • the invention also enables a luminaire, comprising an LED module EL and a control gear, wherein the
  • the circuit has a half-bridge circuit with two switches Sl and S2 (eg, Figs. 1 and 2) or a
  • a control unit may activate a first bridge diagonal by
  • the LED module EL has two antiparallel strands, wherein the two antiparallel strands differ in particular by a different color temperature or wavelength of the corresponding LED in the respective strand.
  • the respective active clocked switch Sl or S2 can be turned on at a time when the indirectly or directly detected bridge branch current to zero
  • the brightness emitted by the LED module EL can be adjusted.

Abstract

Verfahren zur Regelung eines LED-Moduls mittels einer Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern oder einer Vollbrückenschaltung mit vier Schaltern, wobei das LED-Modul (EL) in dem Brückenzweig verschaltet wird und eine Brückendiagonale aktiviert wird, bei der ein Schalter (S1, S2) aktiv getaktet wird, wobei das LED-Modul zwei antiparallele Stränge aufweist, die wobei sich die beiden antiparallelen Stränge insbesondere durch eine unterschiedliche Farbtemperatur oder Wellenlänge der entsprechenden LED in dem jeweiligen Strang unterscheiden.

Description

Verfahren zur Regelung eines LED-Moduls
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtmitteln, insbesondere einer Last wie beispielsweise Leuchtdioden (LED), sowie eine Leuchte. Das Leuchtmittel wie beispielsweise eine Leuchtdiode wird auch als Lampe bezeichnet .
Zum Betreiben von LED-Leuchten werden üblicherweise leistungsfaktorkorrigierte Netzteile eingesetzt. Da eine LED-Strecke, insbesondere eine dimmbare LED-Strecke, keine konstante Last darstellt, werden diese Netzteile üblicherweise geregelt. Hierzu wird häufig eine Überwachung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstromes des Netzteils durchgeführt. Diese Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom wird als Regelgröße genutzt.
Insbesondere bei einem Betrieb von Leuchtdioden ergibt sich die Möglichkeit, Leuchtdioden verschiedener Farbe anzusteuern und durch eine unabhängige Ansteuerung der einzelnen Farben eine Farbmischung zu erzielen. Für eine derartige unabhängige Ansteuerung der einzelnen Farben werden heutzutage separate Schaltungsanordnungen zum Speisen der einzelnen Farben eingesetzt.
Der gegenwärtigen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu schaffen, welche einen sicheren und störungsfreien Betrieb eines LED-Moduls mit veränderlicher Farbe sicherstellen. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein BeieuchtungsSystem. Die Aufgabe der Erfindung ist auch, die Stromregelung oder die Leistungsregelung eines LED-Moduls genauer zu gewährleisten .
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung, insbesondere zur Stromregelung und Einstellung der Farbe eines LED-Moduls mittels einer
Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern und zwei
Kapazitäten oder einer Vollbrückenschaltung mit zwei aktiven Halbbrücken und somit vier Schaltern.
Bei einer Halbbrückenschaltung wird diese durch eine aktive Halbbrücke mit zwei getakteten Schaltern und eine passive Halbbrücke mit zwei Kapazitäten gebildet. Da nur eine aktive Halbbrücke vorhanden ist, wird bei dieser Schaltung im Allgemeinen von einer Halbbrückenschaltung gesprochen .
Das LED-Modul ist dabei in dem Brückenzweig verschaltet. Das LED-Modul weist zwei antiparallele Stränge auf.
Es wird eine Brückendiagonale der Halbbrückenschaltung oder Vollbrückenschaltung aktiviert, bei der ein Schalter aktiv getaktet wird und die in der Diagonale liegende Kapazität bzw. bei einer Vollbrückenschaltung ein geschlossener (niederfrequent getakteter) Schalter den Stromfluß übernimmt. Als Rückführgrösse für die Regelung wird ein für den Mittelwert des Lampenstroms repräsentativer gemessener Istwert verwendet, der mit einem Referenzwert als Sollwert verglichen wird.
Abhängig davon, welche Brückendiagonale aktiviert ist, fließt ein Strom durch den ersten Strang des LED-Moduls oder alternativ durch den zweiten Strang des LED-Moduls. Durch entsprechende Einstellung des zeitlichen Verhältnisses, wann eine Brückendiagonale aktiviert ist und somit ein Strom durch einen Strang durch eines der beiden LED-Stränge fließt, läßt sich die durch das LED- Modul emittierte Farbe einstellen. Die Erfindung betrifft auch ein farbabstimmbares Modul und insbesondere ein LED-Modul, das eine Färb- und/oder Farbtemperaturabstimmung zulässt .
Färb- oder Farbtemperaturabstimmung bedeutet, dass das LED-Modul eine Anzahl von Leuchtmitteln und insbesondere wenigstens zwei LED-Stränge aufweist, wobei jede wenigstens eine LED mit unterschiedlicher Farbe oder Farbtemperatur aufweist und insbesondere Licht mit verschiedenen Spektren, vorzugsweise weiße Spektren mit verschiedenen Farbtemperaturen, emittiert, und ermöglicht, dass die Farbe und/oder Farbtemperatur des von dem Modul emittierten Lichts auf eine Mischfarbe oder Farbtemperatur eingestellt werden/wird. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung mit dem LED-Modul ein Dimmen, d.h. eine Verringerung der Helligkeit des emittierten Lichts, zulassen, worauf typischerweise als Prozentsätze Bezug genommen wird, zum Beispiel bedeutet ein Dimmen von 50% eine Verringerung der emittierten Helligkeit auf 50% und ein Dimmen von 95% bezieht sich darauf, dass die
Helligkeit auf 5% der maximalen Helligkeit verringert wird. Ein Dimmen kann vorzugsweise durch Einfügen einer Wartezeit vor dem Wiedereinschalten des aktiv getakteten Schalters kann die durch das LED-Modul emittierte
Helligkeit eingestellt werden und / oder auch durch
Anpassung des AbschaltZeitpunkt des aktiv getakteten
Schalters (im Beispiel der Figur 2 Schalter Sl) adaptiv eingestellt werden. Letzteres kann bspw. dadurch erzielt werden, indem die Abschaltschwelle für den Lampenstrom angepaßt wird.
Die Erfindung stellt folglich ein farbabstimmbares Modul gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Weitere Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein farbabstimmbares LED-Modul bereitgestellt, das aufweist: eine LED- Anordnung, die wenigstens zwei LED-Stränge aufweist, von denen jede wenigstens eine vorzugsweise weiße LED aufweist, wobei die LED-Stränge in einer antiparallelen Weise verbunden sind und die LED-Stränge unterschiedliche Spektren, vorzugsweise weiße Spektren mit unterschiedlicher Farbtemperatur, emittieren, und einen Schaltungsanordnung, die die LED-Anordnung antreibt und konfiguriert ist, um eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom auszugeben, die durch entsprechendes Aktivieren jeweils einer Brückendiagonale zwischen zwei Polaritäten umgeschaltet wird, wobei die relative Aktivierung der Brückendiagonalen und somit die relative Einschaltdauer der Polaritäten, d.h. das Verhältnis der ersten Zeitspanne einer ersten Polarität im Vergleich zu der zweiten Zeitspanne einer zweiten Polarität, einstellbar ist. Zum Einstellen der Helligkeit, beispielsweise abhängig von einem Dimmsignal, kann zusätzlich eine dritte Zeitspanne eingefügt werden, in der keine Brückendiagonale aktiviert ist. Die dritte Zeitspanne kann beispielsweise durch Einfügen einer Wartezeit vor dem Wiedereinschalten des aktiv getakteten Schalters erreicht werden.
Die Steuereinheit kann ein Farbabstimmsignal und/oder ein
Farbtemperaturabstimmsignal und/oder ein Dimmsignal aus der erfassten Modulation bestimmen.
Die Steuereinheit kann wenigstens ein Steuersignal an das
Betriebsgerät ausgeben. Sie kann die Aktivierung der Brückendiagonalen und somit die relative Einschaltdauer der wenigstens einen Polarität basierend auf dem bestimmten Abstimm-/Dimmsignal variieren.
Das Betriebsgerät kann die Aktivierung der
Brückendiagonalen und somit die Polaritäten und ihre relative Einschaltdauer basierend auf dem wenigstens einen Steuersignal ändern.
Durch Einfügen einer Wartezeit vor dem Wiedereinschalten des aktiv getakteten Schalters kann die durch das LED- Modul emittierte Helligkeit eingestellt werden.
Das LED-Modul kann nur durch zwei Drähte mit der Treiberschaltung verbunden sein.
Das Betriebsgerät kann die relative Einschaltdauer der Polaritäten basierend auf dem Abstimmsignal festlegen.
Das Betriebsgerät kann wenigstens die erste LED-Kette versorgen, wenn das Betriebsgerät eine Brückendiagonale aktiviert und somit auf eine Polarität schaltet. Das Betriebsgerät kann wenigstens die zweite LED-Kette versorgen, wenn das Betriebsgerät die entgegengesetzte Brückendiagonale aktiviert und somit auf die entgegengesetzte Polarität schaltet.
Das Betriebsgerät kann das Dimmen der LED-Stränge durch Ändern des Tastverhältnis des aktuellen Einschaltvorgangs des aktiv getakteten Schalters durchführen. Das Tastverhältnis des aktuellen Einschaltvorgangs des aktiv getakteten Schalters kann gemäß einem Dimmsignal verringert werden.
Das Modul kann ein flexibles Band, ein Streifen, eine Kette oder eine punktförmige Einrichtung sein.
Die Halbbrückenschaltung bietet den Vorteil, dass gegenüber der Vollbrückenschaltung auf zwei aktiv getaktete Schalter verzichtet werden kann und auch die erforderliche Ansteuerung einschließlich der hochseitigen Ansteuerung für den oberen der beiden Schalter entfallen kann .
Abhängig von einer Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert kann das Tastverhältnis des aktuellen Einschaltvorgangs des aktiv getakteten Schalters und/oder eines folgenden Einschaltvorgangs eingestellt werden.
Dabei kann das Tastverhältnis des aktiv getakteten Schalters nur bei jedem n-ten Einschaltvorgang verändert werden, wobei n grösser oder gleich 2 ist. Das Tastverhältnis des aktiv getakteten Schalters kann bspw. über den Zeitpunkt des Ausschaltens des aktiv getakteten Schalters als Steuergrösse verändert werden.
Das Tastverhältnis kann durch adaptive Vorgabe eines Ausschaltpegels einer gemessenen für den Lampenstrom repräsentativen Grössen eingestellt werden, wobei bei Erreichen des Ausschaltpegels der aktiv getaktete Schalter ausgeschaltet wird. Als Steuergrösse der Strom- oder Leistungsregelung kann alternativ oder zusätzlich zu der Taktung des aktiv getakteten Schalters der Pegel der die
Halbbrückenschaltung oder Vollbrückenschaltung versorgenden DC-Busspannung verwendet werden.
Die Busspannung kann mittels einer aktiven PFC-Schaltung erzeugt werden, wobei der Pegel der erzeugten Busspannung durch Veränderung der Taktung eines Schalters der PFC- Schaltung ausgeführt wird.
Als für den Mittelwert des Lampenstroms repräsentativer gemessener Istwert kann ein Abtastwert des Lampenstroms werden, vorzugsweise gemessen bei der Hälfte der EinschaltZeitdauer des aktiv getakteten Schalters.
Der für den Mittelwert des Lampenstroms repräsentative Istwert kann durch eine kontinuierliche Messung des Lampenstroms (oder einer dafür repräsentativen Grösse) ermittelt werden.
Der kontinuierlich gemessene Lampenstrom kann mit einem Referenzwert verglichen werden und der für den Mittelwert repräsentative Istwert kann das Tastverhältnis des Vergleichswerts über die EinschaltZeitdauer des aktiv geschalteten Schalters sein.
Das Tastverhältnis kann anhand eines bidirektionalen digitalen Zählers ermittelt werden.
Der Referenzwert kann von einem vorgegebenen Dimmwert und/oder der gemessenen Lampenspannung abhängen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Integrierte Schaltung, insbesondere ASIC, die zur Durchführung eines Verfahrens wie oben ausgeführt ausgelegt ist.
Erfindungsgemäss ist auch vorgesehen eine Strom- oder Leistungsregelung eines LED-Moduls, die eine
Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern oder eine Vollbrückenschaltung aufweist, wobei Das LED-Modul in dem Brückenzweig verschaltbar ist. Eine Steuereinheit aktiviert eine Brückendiagonale, indem sie den Schalter der Brückendiagonale aktiv und die in der Diagonale liegende Kapazität den Stromfluß übernimmt, wodurch das LED-Modul mit einer hochfrequenten Spannung versorgt ist. Der Steuereinheit wird ein für den Mittelwert des Lampenstroms repräsentativer gemessener Istwert zurückgeführt, der mit einem Referenzwert verglichen wird. Die Steuereinheit kann abhängig von einer Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert das Tastverhältnis des aktuellen Einschaltvorgangs des aktiv getakteten Schalters und/oder eines folgenden Einschaltvorgangs einstellen .
Die Steuereinheit kann das Tastverhältnis des aktiv getakteten Schalters nur bei jedem n-ten Einschaltvorgang verändern, wobei n grösser oder gleich 2 ist. Die Steuereinheit kann das Tastverhältnis des aktiv getakteten Schalters über den Zeitpunkt des Ausschaltens des aktiv getakteten Schalters als Steuergrösse verändern.
Die Steuereinheit kann das Tastverhältnis durch adaptive Vorgabe eines Ausschaltpegels einer gemessenen für den Lampenstrom repräsentativen Grössen einstellen, wobei die Steuereinheit bei Erreichen des Ausschaltpegels der aktiv getaktete Schalter ausschaltet. Die Steuereinheit kann neben der Regelung des Betriebs des LED-Moduls auch eine Zwischenkreisschaltung ansteuern und von der Zwischenkreisschaltung Rückführsignale erhalten, wobei die Zwischenkreisspannung die die
Halbbrückenschaltung oder Vollbrückenschaltung versorgende DC-Busspannung erzeugt.
Die Steuereinheit kann als Steuergrösse der Strom- oder Leistungsregelung alternativ oder zusätzlich zu der Taktung des aktiv getakteten Schalters den Pegel der die Halbbrückenschaltung oder Vollbrückenschaltung versorgenden DC-Busspannung verwenden.
Zur Erzeugung der Busspannung kann eine aktive PFC- Schaltung vorgesehen sein, wobei die Steuereinheit den Pegel der erzeugten Busspannung durch Veränderung der Taktung eines Schalters der PFC-Schaltung ausführt.
Der Steuereinheit kann als ein für den Mittelwert des Lampenstroms repräsentativer gemessener Istwert ein Abtastwert des Lampenstroms, vorzugsweise gemessen bei der Hälfte der EinschaltZeitdauer des aktiv getakteten Schalters, zurückgeführt sein.
Die Steuereinheit kann zur Ermittlung des für den Mittelwert des Lampenstroms repräsentativen Istwerts kontinuierlich den Lampenstrom (oder eine dafür repräsentative Grösse) messen.
Die Steuerschaltung kann einen Komparator aufweisen, der den kontinuierlich gemessenen Lampenstrom mit einem Referenzwert vergleicht und die Steuerschaltung als für den Mittelwert repräsentativen Istwert das Tastverhältnis des Ausgangssignals des Komparators verwendet. Das Ausgangssignal des Komparators kann einem bidirektionalen digitalen Zähler der Steuerschaltung zugeführt sein.
Die Steuerschaltung kann den Referenzwert abhängig von einem extern oder intern vorgegebenen Dimmwert und/oder der gemessenen und der Steuerschaltung zugeführten Lampenspannung einstellen.
Somit ermöglicht die Erfindung, dass eine vereinfachte Ansteuerung für ein farbabstimmbares LED-Modul bereitgestellt wird, das aufweist: eine LED-Anordnung, die wenigstens zwei LED-Stränge aufweist, von denen jede wenigstens eine vorzugsweise weiße LED aufweist, wobei die LED-Stränge in einer antiparallelen Weise verbunden sind und die LED-Stränge unterschiedliche Spektren, vorzugsweise weiße Spektren mit unterschiedlicher Farbtemperatur, emittieren, und einen Schaltungsanordnung, die die LED-Anordnung antreibt und konfiguriert ist, um eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom auszugeben, die durch entsprechendes Aktivieren jeweils einer Brückendiagonale zwischen zwei Polaritäten umgeschaltet wird, wobei die relative Aktivierung der Brückendiagonalen und somit die relative Einschaltdauer der Polaritäten, d.h. das Verhältnis der Zeitspanne einer ersten Polarität im Vergleich zu der Zeitspanne einer zweiten Polarität, einstellbar ist. Die Helligkeit des jeweiligen LED- Stranges kann innerhalb einer Aktivierungsperiode jeweils einer Brückendiagonale durch Einstellung des
Tastverhältnisses des aktiv getakteten Schalters eingestellt und angepaßt werden. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Betriebsgerät für in einer Halbbrücke verschaltete LED-Module,
Figur 2 zeigt im Detail eine Halbbrückenschaltung zum Betrieb einer Lampe sowie die daran abgreifbaren Messignale,
Figur 3 zeigt den Verlauf von Ansteuersignalen von
einem Schalter der Halbbrücke sowie der
Mittenpunktspannung UL3 und des Lampenstroms iLamp, Figur 4 zeigt den Aufbau einer Regelung des
Lampenstroms ,
Figur 5 zeigt den zeitlichen Verlauf von Signalen der Regelung von Figur 4,
Fig. 6 zeigt eine Schaltung,
Fig. 7a zeigt ein erstes Diagramm, welches
zeitabhängige Spannungs- und Stromverläufe in der in Fig. 6 dargestellten Schaltungsanordnung darstellt,
Fig. 7b zeigt ein zweites Diagramm, welches den
zeitabhängigen Stromverlauf und Schaltzustände in der in Fig. 6 dargestellten Schaltungsanordnung entsprechend einer Weiterbildung darstellt,
Fig. 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Betriebsgerät für in einer Vollbrücke verschaltete LED-Module, und Figur 9 zeigt im Detail eine Vollbrückenschaltung zum Betrieb einer LED-Moduls sowie daran abgreifbaren Messignale . Fig. 1 zeigt ein Betriebsgerät zum Betreiben von LED- Modulen .
Die Figuren 1 und 2 beziehen sich auf ein Ausführungsbeispiel mit einer aktiven Halbbrücke, während die Figuren 6, 8 und 9 ein Ausführungsbeispiel mit zwei als Vollbrücke verschalteten Halbbrücken zeigen. Daher kann der Grossteil der Beschreibung von Figuren 1 und 2 auch auf Figuren 6, 8 und 9 übertragen werden (als auch ein Grossteil der Beschreibung der Figuren 6, 8 und 9 auf die Figuren 1 und 2 übertragen werden kann) . Zusätzlich ist dort im wesentlichen eine Ansteuerung für die zwei weiteren Schalter vorgesehen.
Eingangsseitig weist das Betriebsgerät einen mit Netzspannung versorgten Gleichrichter GR auf, an den sich eine aktive Leistungsfaktor-Korrekturschaltung PFC (Power Factor Correction) anschliesst, die als Hochsetzsteller fungiert. Die PFC-Schaltung weist eine Induktivität 16 in Serie mit einer Diode D9 auf, wobei die Induktivität 16 bei Einschalten eines Schalter S6 magnetisiert wird, wobei ein Kondensator C6 aufgeladen wird, und bei ausgeschaltetem Schalter S6 sich entmagnetisiert, so dass sich an dem Kondensator C6 eine hochgesetzte Gleichspannung Uo einstellt, die einen dreieckförmigen Rippel mit der Frequenz der Taktung des Schalter S6 aufweist. Alternativ kann die Leistungsfaktor-
Korrekturschaltung PFC beispielsweise auch durch einen isolierten Sperrwandler (Flyback-Konverter) oder durch einen SEPIC-Konverter gebildet werden. Ausgangsseitig umfaßt das in Fig. 1 gezeigte Betriebsgerät eine Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern Sl und S2 und zwei Kapazitäten CS3 und CS4 sowie einem LED-Modul EL. Eine Beschreibung der weiteren Elemente wird anhand der Fig. 2 gegeben.
Der Steuereinheit können Rückführsignale aus dem Bereich der PFC-Zwischenkreisspannung zurückgeführt werden, wie bspw . :
- die Eingangsspannung über einen Spannungsteiler ST1,
der Strom durch die Induktivität 16 mittels eines Abgriffs AI (oder eine Überwachung der Spannung über der Induktivität 16), und
die Busspannung Uo über einen Spannungsteiler ST2.
Die Steuereinheit kann den Pegel der Ausgangsspannung durch Taktung des Schalters S6 einstellen und mittels der zurückgeführten Busspannung vorzugsweise digital regeln. Der Steuereinheit können Rückführsignale aus dem Bereich des das LED-Modul EL enthaltenden Lastkreises mit der Halbbrückenschaltung zurückgeführt werden:
die Lampenspannung VLamp mittels eines
Spannungsteilers ST3,
- den Lampenstrom iLamp mittels des Shunts Rl (nur während des Einschaltens des aktiv getakteten Schalters der jeweils aktivierten
Brückendiagonale) , und
der Brückenzweigstrom mittels eines Abgriffs A2 (induktiv oder durch Abgriff an dem Mittenpunkt der Schalter Sl und S2) .
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist das LED-Modul EL eine antiparallele Anordnung von LED auf. Die gezeigte Schaltungsanordnung ist insbesondere für den Betrieb von LED-Modulen mit einer antiparallelen Anordnung von LED geeignet, wobei sich die beiden antiparallelen Stränge insbesondere durch eine unterschiedliche Farbtemperatur oder Wellenlänge der entsprechenden LED in jeweiligen Strang unterscheiden. Die LED der beiden antiparallelen Stränge können sich auch in ihrer Farbwiedergabe oder ihrer Binning-Klasse unterscheiden. Durch entsprechende Einstellung des zeitlichen Verhältnisses, wann ein Strom durch den ersten Strang des LED-Moduls EL fließt und wann ein Strom durch den zweiten Strang des LED-Moduls EL fließt, läßt sich die durch das LED-Modul EL emittierte Farbe einstellen.
Figur 2 zeigt im Detail die Halbbrückenschaltung mit den Rückführsignalen:
- Mittels eines Spannungsteilers , die Mittenpunktspannung
UL3 , die für den Brückenzweigstrom repräsentativ ist,
Mittels eines oder mehrerer Spannungsteiler die
Lampenspannung Viamp anhand der Spannungen Ui und U2, und - mittels des Shunts Rl, der Lampenstrom Iiamp.
Die in Figur 2 gezeigte Schaltungsanordnung umfasst eine Brückenschaltung mit einem oberen und einem unteren Diagonalpunkt 1, 2 sowie einem rechten Diagonalpunkt 3. Der linke Diagonalpunkt kann nicht eindeutig bezeichnet werden .
Die Brückenschaltung weist vier Brückenzweige 4, 5, 6, 7 auf. Die Brückenzweige 4 und 6 enthalten je ein Schalterelement in Form eines FET. Die Schalterelemente sind mit Sl und S2 bezeichnet.
An den Diagonalpunkten 1 und 2 der Brückenschaltung liegen die Pole einer Gleichspannungsquelle. Die Gleichspannungsquelle kann der Schaltungsanordnung über einen Bus zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Gleichspannung in üblicher Weise durch Wechselrichten der Netzspannung erzeugt wird.
Von dem Diagonalpunkt 3 geht ein Zweig PZ1 aus. Der Zweig PZ1 enthält in Serienschaltung ein LED-Modul EL mit einer antiparallelen Anordnung von LED, wobei sich die beiden antiparallelen Stränge insbesondere durch eine unterschiedliche Farbtemperatur oder Wellenlänge der entsprechenden LED in jeweiligen Strang unterscheiden, und eine Induktivität L2.
Weiterhin weist der Zweig PZ1 ein Diodennetzwerk auf, dass aus vier Dioden Dl, D2, D3 und D6 besteht. Die Diode Dl verbindet die Induktivität L2 mit dem einen Anschluss des FET Sl, und zwar demjenigen, der nicht mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Der andere Anschluss des FET Sl liegt an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle. Die Diode D2 verbindet die Induktivität L2 mit einem Anschluss des FET S2, und zwar mit demjenigen, der nicht an einem Pol der Gleichspannungsquelle liegt. Der andere Anschluss des FET S2 liegt an dem Knotenpunkt des Halbbrückenzweiges 6 mit dem Halbbrückenzweig 7. Die Diode D3 verbindet den nicht mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen Anschluss des FET S2 mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle. Die Diode D6 verbindet den nicht an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle liegenden Anschluss des FET Sl mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle. Die Dioden Dl und D2 sind auf Durchlass gepolt. Die Dioden D3 und D6 sind in Sperrrichtung gepolt. Vorzugsweise ist parallel zum LED- Modul EL ein Kondensator C2 als Filter- oder Glättungskondensator parallel geschaltet. Dieser kann im Betrieb die Lampenspannung glätten und während der Entmagnetisierung der Induktivität L2 die Lampenspannung aufrecht erhalten. Zwischen den Knotenpunkt des Halbbrückenzweiges 6 mit dem Halbbrückenzweig 7 und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle ist ein niederohmiger Shunt Rl zwischengeschaltet, der jedoch nur zur Messung von Strömen dient und auf die Spannungen in der Schaltung keinen messbaren Einfluß hat.
In Figur 3 werden Signalverläufe bei aktivierter Brückendiagonale A/D (bei der Bezeichnung wie in Figur 2) dargestellt. Dabei ist wie ersichtlich der Schalter Sl aktiv getaktet und zwischen den Zeitpunkten T31 und T32 (Zeitdauer tcw) eingeschaltet. Wie ersichtlich kann der linear ansteigende Lampenstrom Ilamp nur während der Zeitdauer toN an dem Shunt Rl erfasst werden, während der der Schalter Sl eingeschaltet ist. In der Zeitdauer des Ausschaltens des Schalters Sl, in der die Induktivität L2 den Strom durch die Lampe absinkend bis zum unteren Umkehrpunkt weitertreibt, kann der Lampenstrom mittels des Shunts Rl dagegen nicht erfasst werden. Der EinschaltZeitpunkt des hochfrequent getakteten Schalters (hier: Schalter A bzw. Sl) kann durch die Überwachung des durch die Induktivität L2 fließende Zweigstroms iL2 festgelegt werden. Beispielsweise kann überwacht werden, ob der durch die Induktivität L2 fließende Zweigstrom iL2 wieder auf Null abgesunken bzw. ob die Induktivität L2 entmagnetisiert ist. Dies kann mittels einer Sekundärwicklung an der Induktivität L2 oder auch mittels einer Überwachung der Mittelpunktspannung zwischen den Schaltern Sl und S2 erfolgen. Gemäss der Erfindung wird nunmehr der AbschaltZeitpunkt des aktiv getakteten Schalters (im Beispiel der Figur 2 Schalter Sl) adaptiv gestaltet, so dass im Ergebnis die EinschaltZeitdauer toN variabel ist. Dies kann bspw. dadurch erzielt werden, indem die Abschaltschwelle für den Lampenstrom adaptiv gestaltet wird und/oder die EinschaltZeitdauer des aktiv getakteten Schalters adaptiv einstellbar ist. Die Adaptierung erfolgt dabei anhand eines Rückführsignals, das für den Mittelwert des Lampenstroms (Mittelung über eine oder mehrere EinschaltZeitdauern des aktiv getakteten Schalters) repräsentativ ist. Durch Regelung auf den Mittelwert des Lampenstroms ist die Lampen-Strom- oder -Leistungsregelung wesentlich genauer.
Der Mittelwert des Lampenstroms kann erfasst werden, indem zu dem Zeitpunkt t0n/2, also zur Hälfte der EinschaltZeitdauer toN des aktiv getakteten Schalters ein Abtastwert erfasst und ausgewertet wird. Ist dieser höher als der Soll-Mittelwert, kann die EinschaltZeitdauer oder die Abschaltstromschwelle verringert werde, und zwar im aktuellen order in einem folgenden Einschaltvorgang des aktiv getakteten Schalters.
Im Folgenden soll indessen ein Ausführungsbeispiel erläutert werden, bei dem der Lampenstrom kontinuierlich erfasst und zu der Steuereinheit zurückgeführt wird. Wie in Figur 4 gezeigt wird in der Steuereinheit der Lampenstrom I iamp durch einen Komparator Kl mit einem Referenzwert I avg_soii verglichen. Dieser Referenzwert I avg_soii gibt also den Soll-Mittelwert für den Lampenstrom vor und kann bspw. von einer externen oder internen Dimmwertvorgabe und/oder der Höhe der Lampenspannung abhängen. Dieser Referenzwert Iavg_soii ist ein Mass für die Sollleistung .
Um eine konstante Lampenleistung zu erzielen, muss bei schwankender Lampenspannung Ulamp die Sollwertvorgabe für den Mittelwert des Lampenstroms invers nachgeführt werden, so dass sich ergebende Produkt aus Lampenstrom und Lampenspannung konstant geregelt bleibt. Bei konstanter Lampenspannung entspricht natürlich eine
Mittelstromregelung genau einer Lampenleistungsregelung.
Um einen konstanten Lampenstrom zu erzielen, kann beispielsweise direkt der Lampenstrom (der Strom durch das LED-Modul EL) gemessen werden, oder alternativ der Lampenstrom indirekt bestimmt werden. Beispielsweise kann der Lampenstrom aus der Lampenleistung oder der dem LED- Modul EL zugeführten Leistung und der LED-Modulspannung (Lampenspannung) bestimmt werden. Die dem LED-Modul zugeführte Leistung kann beispielsweise aus dem Produkt der Ausgangsspannung der PFC-Schaltung und in die Volloder Halbbrücke fließenden Strom bestimmt werden. Der Lampenstrom kann mittels Division von Lampenleistung oder der der dem LED-Modul EL zugeführten Leistung durch die Lampenspannung gebildet werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es Ziel der Regelung, dass das Tastverhältnis des Ausgangs des Komparators Kl während einer EinschaltZeitdauer toN des aktiv getakteten Schalters 50% beträgt. In dem Ausführungsbeispiel wird dazu das Ausgangssignal des Komparators einem digitalen Up-/Down-Zähler COUNTER zugeführt, der von einem Zeitgeber der Steuereinheit getaktet ist (Taktsignal CNT_CLK) . Wie in Figur 5 ersichtlich zählt der Zähler COUNTER in eine Richtung, solange der Lampenstrom Ilamp unterhalb des Referenzwerts Iavg_soll liegt, und in die umgekehrte Richtung, sobald der Lampenstrom Ilamp den Referenzwert Iavg_soii überschreitet. Wenn der Istwert des Mittelwerts des Lampenstroms Iiamp genau der Referenzwertvorgabe Iavg_soll entspricht, wird das Tastverhältnis des dem Zähler COUNTER zugeführten Vergleichssignals 50% sein und somit am Ende einer EinschaltZeitdauer der Zählerstand genau seinem Anfangsstand entsprechen.
Jedwege Abweichung wird indessen zu einer Abweichung ERROR des Zählerendsands von dessen Anfangsstand führen. Dieses Abweichungssignal ERROR wird einem vorzugsweise digitalen Regler REGULATOR zugeführt, der ebenfalls von einem Zeitgeber der Steuereinheit getaktet durch ein Signal reg_clk wird. Der Regler REGULATOR implementiert eine Regelstrategie (bspw. PI-Regler) und steuert abhängig vom dem Eingangssignal ERROR und der Regelstrategie eine die Leistung des LED-Moduls EL beeinflussende Stellgrösse an. Diese Stellgrösse kann bspw. eines oder mehreres sein von:
- Busspannung,
- adaptive Abschaltschwelle Ipeak, und/oder
- adaptive EinschaltZeitdauer Ton.
Die Stellgrösse (n) kann im aktuellen Einschaltvorgang, in einem jeden folgenden Einschaltvorgang oder aber in jedem n-ten Einschaltvorgang verändert werden, wobei n eine ganze Zahl grösser oder gleich 2 ist.
Im Beispiel von Figur 4 und 5 wird entweder die EinschaltZeitdauer Ton verändert, oder aber der Regler REGULATOR verändert den Referenzwerts eines weiteren Komparators K2 der Steuereinheit, an dessen nicht¬ invertierten Eingang der Lampenstrom Iiamp anliegt.
Das Ausgangssignal des weiteren Komparators K2 steuert das Ausschalten gate_off des jeweils aktiv getakteten Schalters der aktivierten Brückendiagonale.
Bei dem Beispiel in Figur 6 sind jeweils bei jedem der beiden antiparallelen LED-Stränge zusätzliche Kondensatoren vorgesehen, die nur zu einem Teil der LED eines Stranges parallel geschaltet sind. Diese zusätzlichen Kondensatoren können als zusätzliche Filterelemente dienen. In diesem Beispiel ist ein zusätzlicher Kondensator C3 zu einer LED des ersten LED- Stranges angeordnet, und ein zusätzlicher C4 zu einer LED des zweiten LED-Stranges angeordnet.
Das in Fig. 6. Gezeigte Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung für Leuchtmittel, insbesondere eine LED-Strecke beinhaltet eine Schaltungsanordnung, die vier steuerbare Schalter S1-S4 aufweist, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind. An die Vollbrücke ist eine Gleichspannung Uo angelegt, die von einer geeigneten Gleichspannungsquelle des entsprechenden Betriebsgerätes (auch elektronisches Vorschaltgerät genannt) , in dem die Schaltungsanordnung verwendet wird, stammt. Zu den vier Schaltern Sl - S4 sind jeweils Freilaufdioden parallel geschaltet, wobei der Einfachheit halber in Fig. 6 lediglich die dem Schalter Sl parallel geschaltete Freilaufdiode Dl dargestellt ist. Als Schalter S1-S4 werden vorzugsweise Feldeffekttransistoren verwendet, die die Freilaufdioden bereits enthalten. In dem Brückenzweig der in Fig. 6 gezeigten
Vollbrückenschaltung ist ein anzusteuerndes LED-Modul EL angeordnet. Die in Fig. 6 gezeigte Schaltungsanordnung ist insbesondere für den Betrieb von LED-Modulen mit einer antiparallelen Anordnung von LED geeignet, wobei sich die beiden antiparallelen Stränge insbesondere durch eine unterschiedliche Farbtemperatur oder Wellenlänge der entsprechenden LED in jeweiligen Strang unterscheiden. Die LED der beiden antiparallelen Stränge des LED-Moduls EL können sich auch in ihrer Farbwiedergabe oder ihrer Binning-Klasse unterscheiden. Durch entsprechende Einstellung des zeitlichen Verhältnisses, wann ein Strom durch den ersten Strang des LED-Moduls EL fließt und wann ein Strom durch den zweiten Strang des LED-Moduls EL fließt, läßt sich die durch das LED-Modul EL emittierte Farbe einstellen. Mit dem Brückenzweig der in Fig. 6 dargestellten Vollbrücke ist eine Glättungs- oder Filterschaltung vorgesehen, die eine Induktivität L2 und eine Kapazität C2 aufweist, wobei diese Bauelemente wie in Fig. 6 gezeigt verschaltet sind. An die Vollbrücke ist zudem ein Widerstand Rl angeschlossen, der als Strommeß- oder Shunt- Widerstand dient.
Nachfolgend soll der Normalbetrieb näher erläutert werden, wobei während des Normalbetriebs die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. Vollbrücke vorzugsweise in einem sog. Borderline-Modus (Grenzbetrieb) oder auch
Discontinuous-Modus (lückender Betrieb) betrieben wird. Prinzipiell werden die beiden Brückendiagonalen mit den Schaltern Sl und S4 bzw. S2 und S3 werden abwechselnd aktiviert und deaktiviert und somit die entsprechenden Schalter der beiden Brückendiagonalen abwechselnd bzw. komplementär zueinander ein- und ausgeschaltet, wobei zudem bei Aktivierung der Brückendiagonale mit den Schaltern Sl und S4 der Schalter Sl hochfrequent abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird, während entsprechend bei Aktivierung der Brückendiagonale mit den Schaltern S2 und S3 der steuerbare Schalter S2 hochfrequent abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. D.h. die Vollbrücke wird mit einer relativ niedrigen Frequenz, die insbesondere im Bereich 80 - 150 Hz liegen kann, umgepolt, während der Schalter Sl oder S2 der jeweils aktivierten Brückendiagonale zudem hochfrequent, beispielsweise mit einer Frequenz von ca. 45 kHz, abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Dieses hochfrequente Ein- und Ausschalten der Schalter Sl oder S2 erfolgt mit Hilfe eines hochfrequenten pulsweitenmodulierten Steuersignals einer entsprechenden Steuerschaltung, welches mit Hilfe der aus den Bauelementen L2 und C2 bestehenden Filter- oder Glättungsschaltung gesiebt wird, so daß an dem LED-Modul EL lediglich der lineare Mittelwert des über den Brückenzweig fließenden Zweigstroms iL2 anliegt. Mit Hilfe des pulsmodulierten Steuersignals kann der dem LED-Modul EL zugeführte Strom oder auch die zugeführte Leistung konstant gehalten werden, was insbesondere für den Betrieb von LED-Modulen EL wichtig ist.
Der niederfrequente Anteil des dem LED-Modul EL zugeführten Stroms wird durch Umschalten bzw. Umpolen der beiden Brückendiagonalen, d.h. durch Umschalten von Sl und S4 auf S2 und S3, erzeugt. Über den rechten Brückenzweig mit den Schaltern S3 und S4 wird in diesem Fall das LED- Modul EL niederfrequent auf die Versorgungsspannung Uo oder auf Masse gelegt, so daß an den Anschlußklemmen des LED-Moduls EL im Wesentlichen lediglich der niederfrequente Anteil anliegt. Abhängig davon, welche Brückendiagonale aktiviert ist, fließt ein Strom durch den ersten Strang des LED-Moduls EL oder alternativ durch den zweiten Strang des LED-Moduls EL.
Durch entsprechende Einstellung des zeitlichen Verhältnisses, wann eine Brückendiagonale aktiviert ist und somit ein Strom durch einen Strang durch eines der beiden LED-Stränge fließt, läßt sich die durch das LED- Modul EL emittierte Farbe einstellen. Gemäß dem zuvor erwähnten niederfrequenten Borderline- Modus wird der steuerbare Schalter Sl bzw. S2 der jeweils aktivierten Brückendiagonale zu einem Zeitpunkt geschlossen, wenn der über die Induktivität L2 fließende Zweigstrom iL2 wieder auf Null abgesunken ist, vorzugsweise wenn er sein Minimum erreicht hat. Mit "Minimum" wird dabei der untere Umkehrpunkt des Stroms iL2 verstanden, wobei dieses Minimum durchaus auch im leicht negativen Stromwertbereich liegen kann. „Geschlossen" bedeutet dabei, dass eine Steuereinheit in diesem zeitlichen Bereich den Schaltvorgang auslöst - das eigentliche Schliessen des Schalters, d.h. sein Erreichen des leitfähigen Zustands tritt üblicherweise erst ein, wenn der nach dem Minimum wieder ansteigende Strom etwa erneut eine (diesmal aufsteigenden) Nulldurchgang vollzieht. Die Überwachung, ob der durch die Induktivität L2 fließende Zweigstrom iL2 wieder auf Null abgesunken bzw. ob die Induktivität L2 entmagnetisiert ist, kann mittels einer Sekundärwicklung an der Induktivität L2 oder auch mittels einer Überwachung der Mittelpunktspannung zwischen den Schaltern Sl und S2 erfolgen.
Zur Betrachtung des Stromverlaufs soll nachfolgend davon ausgegangen werden, daß zunächst die Brückendiagonale mit 30 den Schaltern S2 und S3 aktiviert ist, während die Brückendiagonale mit den Schaltern Sl und S4 deaktiviert ist. D.h. die Schalter S2 und S3 sind geschlossen, während die Schalter Sl und S4 geöffnet sind. Zum Zeitpunkt des Schließens der Schalter S2 und S3 beginnt durch die Induktivität L2 ein Strom iL2 zu fließen, der gemäß einer Exponentialfunktion ansteigt, wobei im hier interessierenden Bereich ein quasi-linearer Anstieg des Stroms iL2 zu erkennen ist, so daß nachfolgend der Einfachheit halber von einem linearen Anstieg bzw. Abfall des Stroms iI2 gesprochen wird. Durch Öffnen des Schalters S5 wird dieser Strom iL2 unterbrochen, wobei - wie bereits erwähnt worden ist - der Schalter S2 insbesondere hochfrequent und unabhängig vom Schaltzustand des Schalters 53 abwechselnd geöffnet und geschlossen wird. Das Öffnen des Schalters S2 hat zur Folge, daß der Strom iL2 zwar vorerst über die Freilaufdiode Dl des geöffneten Schalters Sl in die gleiche Richtung weiter fließt, aber kontinuierlich abnimmt und sogar schließlich einen negativen Wert erreichen kann.
Dies ist insbesondere solange der Fall bis die Elektronen aus der Sperrschicht der Freilaufdiode Dl ausgeräumt worden sind. Das Erreichen dieses unteren Umkehrpunktes des Strom iL2 wird überwacht und der Schalter S2 nach Erkennen dieses unteren Umkehrpunktes wieder geschlossen, so daß der Strom wieder ansteigt. D.h. daß hochfrequente Einschalten des Schalters S2 erfolgt immer dann, wenn der untere Umkehrpunkt des Stroms iL2 erreicht worden ist. Das Öffnen des Schalters S2 kann im Prinzip beliebig gewählt werden, wobei der Zeitpunkt des Öffnens des Schalters insbesondere entscheidend für die Leistungszufuhr des LED-Moduls EL ist, so daß durch geeignetes Einstellen des Öffnungszeitpunkts die den LED zugeführte Leistung oder Strom geregelt bzw. konstant gehalten werden kann. Als Schaltkriterium kann hierfür beispielsweise die Zeit oder der Maximalwert des Zweigstroms iL2 herangezogen werden. Durch die Maßnahme, daß der jeweils hochfrequent abwechselnd ein- und ausgeschaltete Schalter Sl bzw. S2 jeweils im unteren Umkehrpunkt des Stroms iL2, d.h. in der Nähe des Stromwerts Null, wieder eingeschaltet wird, wird der jeweilige Feldeffekttransistor Sl bzw. S2 geschont, d.h. vor Zerstörung geschützt, und es können Feldeffekttransistoren als Schalter Sl bzw. S2 verwendet werden, die verhältnismäßig lange Ausräumzeiten für die entsprechende Freilaufdiode aufweisen.
Dies soll nachfolgend näher erläutert werden. Bevor der Schalter S2 geschlossen wird, liegt über ihm eine Spannung an, die im vorliegenden Fall ca. 400 Volt beträgt. Wird der Schalter S2 geschlossen, bricht diese Spannung zusammen, d.h. sie fällt sehr rasch von 400 Volt auf 0 Volt ab. Die besondere Eigenschaft eines
Feldeffekttransistors ist es jedoch, daß der Strom bei Aktivierung des entsprechenden Feldeffekttransistors bereits zu fließen beginnt, ehe die entsprechende Spannung auf 0 Volt abgefallen ist. In diesem kurzen Zeitabschnitt zwischen Anstieg des für den Feldeffekttransistor fließenden Stroms und dem Erreichen der Spannung 0 Volt wird durch das Produkt des Stroms und der Spannung eine dem jeweiligen Feldeffekttransistor zugeführte Leistung gebildet, die den Feldeffekttransistor zerstören kann. Daher ist es vorteilhaft, den Feldeffekttransistor bei einem geringstmöglichen Stromfluß, insbesondere in der Nähe des Stromwerts Null, zu schalten.
Des Weiteren ist zu beachten, daß der über die Induktivität L2 fließende Strom iL2 über die Freilaufdiode von Dl fließt, wenn der Schalter Sl offen ist und auch der Schalter S2 noch offen ist. Wird der Schalter S2 geschlossen und der Schalter Sl geöffnet, dauert es eine bestimmte Zeitspanne, bis die Elektronen aus der Sperrschicht der Freilaufdiode Dl ausgeräumt werden konnten. Während dieser Zeit ist der Feldeffekttransistor Sl praktisch in einem leitenden Zustand. Das bedeutet, daß der Feldeffekttransistor S2 während einer relativ kurzen Zeitspanne bis zum Ausräumen der Sperrschicht der
Freilaufdiode Dl, die dem Feldeffekttransistor Sl zugeordnet ist, an der vollen Betriebsspannung Uo, die ca. 400 Volt beträgt, anliegt, wodurch es ebenfalls zu der zuvor beschriebenen Überbelastung und ggf- sogar Zerstörung des Feldeffekttransistors S2 kommen kann. Aufgrund der zuvor vorgeschlagenen Vorgehensweise, nämlich dem Einschalten des Schalters S2 immer dann, wenn der über die Induktivität L2 fließende Strom iL2sein Minimum erreicht hat, ist der zuvor anhand der Ausräumzeit des Schalters bzw. Feldeffekttransistors Sl beschriebene Effekt nahezu unbeachtlich, so daß für die Schalter Sl - S4 auch Feldeffekttransistoren verwendet werden können, die relativ lange Ausräumzeiten für die damit verbundenen Freilaufdioden aufweisen. Es gibt zwar bereits Schaltelemente mit sehr kurzen Ausräumzeiten, wie z. B. den sog. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), wobei diese Bauelemente jedoch sehr teuer sind. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann somit auf die Verwendung derartig teurer Bauelemente verzichtet werden.
Für die zuvor beschriebene Vorgehensweise ist erforderlich, daß der augenblickliche Wert des Stroms iL2 sowie der Zeitpunkt des Erreichens seines Umkehrpunkts bekannt ist. Der augenblickliche Wert des Stroms iL2 kann beispielsweise durch Messen der an dem Widerstand Rl abfallenden Spannung bestimmt werden. Der untere Umkehrpunkt des Stroms iL2 kann bspw. durch eine transformatorisch an der Spule L2 abgegriffene Spannung bestimmt. Zu diesem Zweck kann eine (in Fig. 6 nicht dargestellte) Wicklung oder Spule transformatorisch mit der Spule L2 gekoppelt werden, die zu einer Differenzierung des über die Spule L2 fließenden Stroms iL2 führt und somit eine Aussage über den Umkehrpunkt des Stroms iL2 zuläßt. Der Normalbetrieb der in Fig. 6 gezeigten Schaltungsanordnung soll nachfolgend anhand des in Fig. 7 dargestellten Diagramms erläutert werden, wobei in Fig. 7 zeitabhängig der Verlauf der am Knotenpunkt zwischen den Schaltern Sl und S2 anliegenden Spannung, der Lampenspannung ULED und des über die Spule L2 fließenden Stroms iL2 dargestellt ist. Insbesondere ist in Fig. 7a der Fall dargestellt, daß während einer ersten Zeitspanne Tl der in Fig. 6 gezeigten Schaltungsanordnung die Brückendiagonale mit den Schaltern S2 und S3 aktiviert ist, wohingegen während einer anschließenden Zeitspanne T2 die Brückendiagonale mit den Schaltern Sl und S4 aktiviert ist. D.h. während der Zeitspanne Tl ist der Schalter S3 dauerhaft geschlossen, und die Schalter Sl und S4 sind dauerhaft geöffnet. Des Weiteren wird während dieser Zeitspanne Tl der Schalter S2 hochfrequent abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Aus Fig. 7a ist insbesondere ersichtlich, daß der Schalter S2 stets geschlossen wird, wenn der über die Spule L2 fließende Strom iL2 seinen unteren Umkehrpunkt, d.h. seinen minimalen Wert, erreicht hat, so daß sich der impulsartige Verlauf der Spannung u, ergibt. Die Steilheit der Flanken des Stroms iL2 ist durch die Induktivität der Spule L2 bestimmt. Durch Verändern des Spitzenwert des Stroms iL2, d.h. des Zeitpunkts des Öffnens des Schalters S2, kann der Strommittelwert des Stroms iL2 verändert und somit die dem LED-Modul EL zugeführte Leistung bzw. zugeführte Strom und deren Farbtemperatur geregelt bzw. konstant gehalten werden. Der hochfrequente Verlauf des Stroms iL2 wird durch die Bauelemente L2 und C2 geglättet, so daß sich der in Fig. 7 gezeigte geglättete Verlauf der an das LED-Modul EL angelegten Spannung ULED ergibt. Nach Ablauf der Zeitspanne T2, werden die Schalter S2 und S3 dauerhaft geöffnet, und der Schalter S4 wird dauerhaft eingeschaltet. Analog zum Schalter S2 während der Zeitspanne Tl wird nunmehr der Schalter Sl hochfrequent abwechselnd ein- und ausgeschaltet, so daß sich der in Fig. 7 gezeigte Verlauf der Spannungen Ul und ULED sowie des Stroms iL2 ergibt. Wie bereits erwähnt worden ist, wird mit Hilfe einer Steuerschaltung wiederholt zwischen den Betriebsphasen während der Zeitspannen Tl und T2 umgeschaltet, wobei diese Umpolfrequenz insbesondere im Bereich 80 - 150 Hz liegen kann, während die hochfrequente Taktfrequenz des Schalters S2 (während der Zeitspanne TA bzw. des Schalters Sl (während der Zeitspanne T2) im Bereich um 45 kHz liegen kann.
Bei der Steuerung läuft nach dem Öffnen des hochfrequent geschalteten Schalters der Strom weiter über die Freilaufdiode und nimmt dabei relativ langsam ab, wenn der zweite Schalter der gerade aktivierten Brückendiagonalen weiterhin geschlossen bleibt. Dies führt zu einem kleineren Stromspitzenwert und dementsprechend auch zu einer kleineren Verlustleistung. Allerdings kann es vorkommen, daß zu einem Zeitpunkt, zu dem die Elektronen aus den Sperrschichten der Freilaufdioden ausgeräumt worden sind und somit der untere Umkehrpunkt des Stromes iL2 erreicht worden ist, dieser noch nicht ausreichend abgefallen ist und somit die Schalter beim Schließen immer noch einer hohen Belastung ausgesetzt sind. Um diese Belastungen, welche beispielsweise bei einer Überbrückung des LED- Moduls EL auftreten können, auszuschließen, können in einer Weiterbildung die Schalter entsprechend dem Diagramm in Fig. 7b gesteuert werden.
Dieses Diagramm der Fig. 7b zeigt den Stromverlauf iL2 und den Zustand des zweiten und des dritten Schalters 2, 3 während der Zeitspanne T. Die beiden anderen Schalter sind in diesem Zeitraum T, geöffnet. Während einer ersten Phase x sind beide Schalter geschlossen und der Strom iL2 steigt kontinuierlich an. Wie bei der eben beschriebenen Steuerung ist während einer zweiten Phase x2, deren Beginn durch das Erreichen eines Maximalwerts von iL2 oder durch eine vorgegebene Dauer von xl bestimmt sein kann, der zweite Schalter S2 geöffnet und iI2 nimmt langsam ab. Zusätzlich wird nun allerdings ab einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Öffnen des zweiten Schalters S2 in einer dritten Phase x3 auch der dritte Schalter S3 geöffnet. Der Strom fließt nun über die beiden Freilaufdioden des ersten und des vierten Schalters und nimmt nun stärker ab als während der zweiten Phase x2. Damit kann sichergestellt werden, daß iL2 auch tatsächlich einen negativen Wert erreicht, bevor die Sperrschichten der Freilaufdioden ausgeräumt sind. Erreicht iL2 den unteren Umkehrpunkt, werden beide Schalter wieder geschlossen und die Steuerung befindet sich wieder im Zustand der ersten Phase xl . Das Öffnen des dritten Schalters S3 - also die dritte Phase x3 - entfällt allerdings, wenn der Strom iL2 vorher schon auf Null abgesunken ist, da in diesem Fall keine hohen Belastungen beim Öffnen Schalter auftreten. Stattdessen wird sofort mit der ersten Phase x, fortgefahren und der zweite Schalter S2 wieder geöffnet. Das niederfrequente Umschalten zwischen den beiden Brückendiagonalen erfolgt analog zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel, wobei auch hier vorteilhaft die Stromspitzen des Stroms iL2 vor und nach dem Umschalten zwischen den Betriebsphasen Tl und T2 reduziert werden können.
Alternativ kann der AusschaltZeitpunkt des hochfrequent getakteten Schalters dadurch bestimmt werden, dass der Lampenstrom einen fest vorgegeben Abschaltschwellenwert erreicht. Dabei kann es aber zu Ungenauigkeiten kommen, das der negative Stromflussbereich unmittelbar nach dem Einschalten des Schalters variieren kann, was die Leistungsregelung ungenau macht. Bei dem Ausführungsbeispiel von Figuren 8 und 9 Ausgangsseitig weist das Betriebsgerät eine
Vollbrückenschaltung mit vier Schaltern Sl bis S4 (bzw. A bis D) auf. Die Induktivitäten LI, L2, das LED-Modul EL und Kondensatoren Cl, C2 sind wie bezugnehmend auf Fig. 6 verschaltet .
Es wird gemäß den Ausführungsbeispielen ein Verfahren zur Regelung eines LED-Moduls EL mittels einer Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern oder einer Vollbrückenschaltung mit vier Schaltern ermöglicht, wobei das LED- Modul EL in dem Brückenzweig verschaltet ist. Es wird die erste Brückendiagonale aktiviert, indem in einer ersten Zeitspanne Tl ein erster Schalter Sl aktiv getaktet wird. In einer zweiten Zeitspanne T2 wird ein zweiter Schalter S2 aktiv getaktet und somit die zweite Brückendiagonale aktiviert. Das LED-Modul EL weist zwei anti-parallele Stränge auf, die wobei sich die beiden anti-parallelen Stränge insbesondere durch eine unterschiedliche
Farbtemperatur oder Wellenlänge der entsprechenden LED in dem jeweiligen Strang unterscheiden. Vorzugsweise wird der jeweils aktiv getaktete Schalter Sl oder S2 zu einem
Zeitpunkt eingeschaltet, wenn der indirekt oder direkt erfasste Brückenzweigstrom auf Null abgeklungen ist, vorzugsweise seinen unteren Umkehrpunkt erreicht hat.
Durch Einstellung des zeitlichen Verhältnisses der
Aktivierung der beiden Brückendiagonalen und somit der beiden Zeitspannen Tl und T2 zueinander kann die durch das LED-Modul EL emittierte Farbe eingestellt werden.
Durch Einfügen einer Wartezeit vor dem Wiedereinschalten des jeweils aktiv getakteten Schalters Sl oder S2 kann der mittlere Strom durch das LED-Modul EL und somit die durch das LED-Modul EL emittierte Helligkeit eingestellt werden.
Die Erfindung ermöglicht auch eine Leuchte, aufweisend ein LED-Modul EL und ein Betriebsgerät, wobei das
Betriebsgerät eine Schaltung zur Strom- oder
Leistungsregelung eines LED-Moduls EL aufweist.
Die Schaltung weist eine Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern Sl und S2 (bspw. Fig. 1 und 2) oder eine
Vollbrückenschaltung mit vier aktiven Schaltern Sl, S2, S3 und S4 (bspw. Fig. 6, 8 und 9) auf. Das LED-Modul EL wird in dem Brückenzweig verschaltet. Eine Steuereinheit kann eine erste Brückendiagonale aktivieren, indem sie
zumindest einen ersten Schalter Sl der Brückendiagonale in einer ersten Zeitspanne Tl aktiv taktet. In einer zweiten Zeitspanne T2 kann die zweite Brückendiagonale aktiviert werden, indem zumindest der zweite Schalter S2 aktiv getaktet wird. Das LED-Modul EL weist zwei antiparallele Stränge auf, wobei sich die beiden antiparallelen Stränge insbesondere durch eine unterschiedliche Farbtemperatur oder Wellenlänge der entsprechenden LED in dem jeweiligen Strang unterscheiden.
Der jeweils aktiv getaktete Schalter Sl oder S2 kann zu einem Zeitpunkt eingeschaltet werden, wenn der indirekt oder direkt erfasste Brückenzweigstrom auf Null
abgeklungen ist, vorzugsweise seinen unteren Umkehrpunkt erreicht hat.
Durch Einfügen einer Wartezeit vor dem Wiedereinschalten des jeweils aktiv getakteten Schalters Sl oder S2 kann die durch das LED-Modul EL emittierte Helligkeit eingestellt werden .

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Regelung eines LED-Moduls mittels einer Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern oder einer Vollbrückenschaltung mit vier Schaltern, wobei das LED-Modul (EL) in dem Brückenzweig
verschaltet wird und eine Brückendiagonale aktiviert wird, bei der ein Schalter (Sl, S2) aktiv getaktet wird,
wobei das LED-Modul zwei antiparallele Stränge aufweist, die wobei sich die beiden antiparallelen Stränge insbesondere durch eine unterschiedliche Farbtemperatur oder Wellenlänge der entsprechenden LED in dem jeweiligen Strang unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem der aktiv getaktete Schalter (Sl, S2) zu einem Zeitpunkt eingeschaltet wird, wenn der
indirekt oder direkt erfasste Brückenzweigstrom auf Null abgeklungen ist, vorzugsweise seinen unteren Umkehrpunkt erreicht hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch Einstellung des zeitlichen Verhältnisses der Aktivierung der beiden Brückendiagonalen
zueinander die durch das LED-Modul emittierte Farbe eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch Einfügen einer Wartezeit vor dem
Wiedereinschalten des aktiv getakteten Schalters (Sl, S2) die durch das LED-Modul emittierte
Helligkeit eingestellt werden kann.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Tastverhältnis des aktiv getakteten Schalters über den Zeitpunkt des Ausschaltens des aktiv getakteten Schalters als Steuergrösse
verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Tastverhältnis durch adaptive Vorgabe eine Ausschaltpegels einer gemessenen für den
Lampenstrom repräsentativen Grössen eingestellt wird, wobei bei Erreichen des Ausschaltpegels der aktiv getaktete Schalter ausgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Strom- oder Leistungsregelung eines LED- Moduls erfolgt,
bei dem als Steuergrösse der Strom- oder
Leistungsregelung alternativ oder zusätzlich zu der Taktung des aktiv getakteten Schalters der Pegel der die Halbbrückenschaltung oder Vollbrückenschaltung versorgenden DC-Busspannung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7,
bei dem die Busspannung mittels einer aktiven PFC- Schaltung erzeugt wird, wobei der Pegel der
erzeugten Busspannung durch Veränderung der Taktung eines Schalters der PFC-Schaltung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als ein für den Mittelwert des Lampenstroms repräsentativer gemessener Istwert ein Abtastwert des Lampenstroms, vorzugsweise gemessen bei der Hälfte der EinschaltZeitdauer des aktiv getakteten Schalters, verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem der für den Mittelwert des Lampenstroms repräsentative Istwert durch eine kontinuierliche Messung des Lampenstroms ermittelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
bei dem der kontinuierlich gemessene Lampenstrom mit einem Referenzwert verglichen wird und der für den Mittelwert repräsentative Istwert das Tastverhältnis des Vergleichswerts über die EinschaltZeitdauer des aktiv geschalteten Schalters ist.
Verfahren nach Anspruch 11,
bei dem der Referenzwert von einem vorgegebenen Dimmwert und/oder der gemessenen Lampenspannung abhängt .
13. Leuchte, aufweisend ein LED-Modul und ein
Betriebsgerät,
wobei das Betriebsgerät eine Schaltung zur Strom¬ oder Leistungsregelung eines LED-Moduls aufweist, wobei die Schaltung eine Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern (Sl, S2) oder eine
Vollbrückenschaltung mit vier aktiven Schaltern (Sl, S2, S3, S4) aufweist,
wobei das LED-Modul in dem Brückenzweig verschaltet wird,
wobei eine Steuereinheit eine Brückendiagonale aktiviert, indem sie zumindest einen Schalter (Sl, S2) der Brückendiagonale aktiv taktet, wobei das LED- Modul zwei antiparallele Stränge aufweist, wobei sich die beiden antiparallelen Stränge insbesondere durch eine unterschiedliche Farbtemperatur oder Wellenlänge der entsprechenden LED in dem jeweiligen Strang unterscheiden.
14. Leuchte nach Anspruch 13, bei der der aktiv
getaktete Schalter (Sl, S2) zu einem Zeitpunkt eingeschaltet wird, wenn der indirekt oder direkt erfasste Brückenzweigstrom auf Null abgeklungen ist, vorzugsweise seinen unteren Umkehrpunkt erreicht hat .
Leuchte nach Anspruch 14,
bei der eine Steuereinheit neben einer Regelung des Betriebs des LED-Moduls auch eine
Zwischenkreisschaltung ansteuert und von der
Zwischenkreisschaltung Rückführsignale erhält, wobe die Zwischenkreisspannung die die
Halbbrückenschaltung oder Vollbrückenschaltung versorgende DC-Busspannung erzeugt.
Leuchte nach Anspruch 15,
bei der für Erzeugung der DC-Busspannung eine akt PFC-Schaltung vorgesehen ist,
wobei die Steuereinheit den Pegel der erzeugten Busspannung durch Veränderung der Taktung eines Schalters der PFC-Schaltung ausführt.
17. Leuchte nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
bei dem die Steuerschaltung den Referenzwert
abhängig von einem extern oder intern vorgegebenen Dimmwert und/oder der gemessenen und der
Steuerschaltung zugeführten Lampenspannung abhängt. 18. Beleuchtungssystem, aufweisend mehrere Leuchten, darunter wenigstens eine Leuchte gemäss einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Leuchten vorzugsweise durch eine oder mehrere Busleitungen untereinander und/oder mit einer zentralen Steuereinheit verbunden sind.
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