EP3666042B1 - Vorrichtung und verfahren zur dynamischen überlastbegrenzung bei farbtemperaturdimmbaren mehrkanal-led-systemen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur dynamischen überlastbegrenzung bei farbtemperaturdimmbaren mehrkanal-led-systemen Download PDF

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EP3666042B1
EP3666042B1 EP18768863.5A EP18768863A EP3666042B1 EP 3666042 B1 EP3666042 B1 EP 3666042B1 EP 18768863 A EP18768863 A EP 18768863A EP 3666042 B1 EP3666042 B1 EP 3666042B1
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EP
European Patent Office
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channel
led
output channels
led output
current
Prior art date
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Active
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EP18768863.5A
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French (fr)
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EP3666042A1 (de
Inventor
Christian Nesensohn
Sascha GSTIR
Clemens KUCERA
Frank Lochmann
Patrick MARTE
Markus Mayrhofer
Harald Netzer
Oliver Wynnyczenko
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Tridonic GmbH and Co KG
Original Assignee
Tridonic GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/20—Controlling the colour of the light
    • H05B45/24—Controlling the colour of the light using electrical feedback from LEDs or from LED modules
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/50—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/10—Controlling the intensity of the light
    • H05B45/14—Controlling the intensity of the light using electrical feedback from LEDs or from LED modules

Definitions

  • the invention relates to a device and a method in the area of a preferably two-channel LED module, in which both channels can be controlled separately from one another in order to achieve color temperature dimming.
  • Previously known devices for two-channel color temperature dimming are mostly LED systems which usually have a group of cold white and a group of warm white LED elements on a common chip, i.e. are applied to a single substrate.
  • Such a device is, for example, in US2012038286 disclosed.
  • the device includes, among other things, a current driver that generates a first and a second driver current.
  • the first drive current causes a first group of LED chips to light up with a first color temperature and brightness (intensity).
  • the second drive current causes a second group of LED chips to light up with a second color temperature and second brightness.
  • the LED groups or elements of different colors can also be arranged mixed on the substrate.
  • said device and the method implemented by it involves separately controlling both drive currents, so that a user-desired light results with a selected color temperature at a selected intensity.
  • the driver circuit of this device has, among other things, a controller, a memory and, in addition to the current driver, also a data bus and a sensor interface, which has several CPUs, processors, gates, arrays, hardware logic and memory documents, such a device also has a Computer program product provided by which the method of color dimming is implemented.
  • the driver circuit of this device has circuitry configured to generate drive currents (first and second drive currents) capable of driving both the first and second groups of LEDs from their respective “off” states to to the state of their maximum intensity.
  • the driver circuit currently sets the levels of the first and second drive currents based on user input (via an interactive display, keyboard, rotary or slider control, etc.) and/or based on sensor-based feedback, which is why this circuit does not actually represent a controller, but a rule.
  • the resulting light emitted by the entire LED system is ultimately a combination of the color temperature and the intensity of the light at that color temperature.
  • the LED system is not only limited to two groups of LED chips, but can have any number of LED groups, each with its own individual color temperature and brightness behavior. A corresponding number of drive currents (depending on the encapsulation) is necessary, which must be made available by the driver circuit.
  • the controller In order to generate currents for different intensities and color temperatures of specific LED groups, the controller either accesses a memory stored drive current tables or calculates the required values for the respective drive currents using algebraic equations.
  • the mixed color temperature (T mix ) resulting from the superimposition of the light of two LED groups can be determined according to the following equation: where L K represents the intensity of the cold white light and L W that of the warm white light, and T K and T W represent the respective color temperatures that may be measured by sensors.
  • the difference in color temperature between the two groups of LED chips should advantageously be at least 300 Kelvin.
  • the values of the two drive currents (I K and I W ) for the two groups of LED chips (cold white and warm white) also result algebraically with W as an efficacy constant (units in lumens per ampere) of the warm white group of LED chips and K as an efficacy constant of the cool white group of LED chips with a total light output L and an average color temperature (overall color temperature) T.
  • the above equations enable the controller to calculate all drive currents in order to achieve a desired (physically possible) color temperature with an equally desired brightness (intensity) and to feed the resulting parameters to the drive current table (color temperature, two intensity levels) in order to complete them.
  • the drive current tables stored in the memory during device manufacture are accessible to the controller or the corresponding modules of the driver circuit via the data bus.
  • the drive current tables are stored by the processor by acquiring information from another device, e.g., over a network connection.
  • the drive currents are set to constant currents at predetermined voltage levels.
  • current amplitudes of the drive currents are defined by (activating), which are pulsed at a selectable pulse rate.
  • the corresponding drivers receive drive current parameters (e.g. from the controller or regulator) and use them to generate the corresponding drive currents.
  • Device indicators which measure the color temperature and intensity of the light currently being emitted by the light source, provide feedback for the driver circuitry and are part of the basis for the overall control.
  • the change in the intensity and/or the color temperature of the light emitted by a light source is generally referred to as "dimming".
  • dimming with, for example, only two LED groups with different color temperatures (e.g. cold white and warm white) and intensity is very complex.
  • the luminous flux of a white LED (measured in lumens, Im) is proportional to its drive current, with the constant of proportionality being dependent on color temperature, all other factors being assumed being equal.
  • an LED configured as a 6000K cool-white source produces light at a rate of 100 lumens per amp, while a 3000K warm-white source produces light at only a 70 lumen rate generated per ampere. This inequality must be taken into account when dimming (especially when calculating the drive currents).
  • the dimmer can thus reduce the AC power to produce an AC voltage that results in a reduced (second) drive current.
  • analog dimming is an advantage, since several PWM dimming signals generate so-called beat frequencies, i.e. they can cause beats that cause flickering or audible noise.
  • Analog dimming can be easily implemented with a buck converter.
  • a suitable integrated circuit IC
  • Jon Kraft Convert a Buck Regulator into a Smart LED Driver, Including Dimming; www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/convert-a-buck-regulator.html
  • a data sheet from Texas Instruments proposes dimming with the TPS92075 integrated circuit.
  • a buck converter is a form of switching DC-DC converter and is used to transfer electrical energy between an input and an output side of galvanically isolated DC voltages.
  • the output voltage U a is always smaller than the absolute value of the input voltage U e .
  • FIG 1 a simple variant of a buck converter 1 is shown.
  • a switch 2 is regularly switched on and off by a controller (not shown). A few hundred to several million switching cycles per second usually take place, which is why this switch 2 usually represents a transistor.
  • Both the coil 4 (choke) and the electrolytic capacitor 6 (ELKO) serve as energy stores and allow the load 7 to be supplied in the phases in which the switch 2 is open.
  • the load current flows through the coil 4 and through the consumer 7, here an LED.
  • the diode 3 blocks.
  • the energy stored in the coil is dissipated: the current continues to flow through the load 7 (LED) and through the resistor 5, but now out of the capacitor 6 through the diode 3.
  • the switching cycle of the switch 2 can either be set in such a way that the coil current never stops flowing (non-intermittent operation) since the switch 2 is already closed again before the entire energy stored in the coil 4 has been completely dissipated.
  • the switching cycle can also be set in such a way that the current regularly drops to zero during the cycle and there are intervals with no current or no voltage (intermittent operation).
  • a controller In order to be able to precisely control both operating modes or their transition from both sides, a controller must be used when designing the circuit, through which all, at least the most important, sometimes rapidly changing parameters (inductance, switching frequency, input voltage, output voltage, flowing output current, dependency of the output voltage on the duty cycle, etc.) can be taken into account.
  • the present invention now relates to multi-channel LED modules, in particular to two-channel LED modules, which preferably have a cold white and a warm white channel, and which can be controlled separately from one another in such a way that color dimming can be achieved with simultaneous brightness dimming .
  • a high-precision control of the respective LED current is necessary, with the main difficulty being not to exceed the maximum power that an individual channel can or may produce during the dimming process, otherwise in current systems, the LED module is switched off completely before an overload occurs (system shut down).
  • Another prior art method of protecting a multi-channel dimmable system from electronic overload/overload is to place a significant power limit on each channel.
  • the pamphlet DE 10 2013 108552 A1 discloses a multi-channel LED system according to the preamble of independent claim 1.
  • the invention is therefore based on the object of providing safety measures for a color temperature and brightness dimmable two- or multi-channel system be made so that the maximum exhaustion of the color temperature and brightness range caused by dimming does not pose a risk to the technical safety of the system.
  • the basic idea of the present invention is to create a dynamic overload limitation in color temperature and/or brightness dimmable two- or multi-channel LED systems, which protects the system from exceeding the power in individual channels or in all channels and a possibly damage or even destruction to the environment is prevented.
  • a “dimmer” in the most general sense is used to control the (variable) power consumption of (electrically operated) consumers.
  • the type of dimming depends on the type of consumer or its load characteristics.
  • variable/the variable to be changed depends on several parameters that may interact in a complex manner, control may not be sufficient for the dimming process, but regulation is necessary.
  • the user has two interfaces (button with display, rotary knob, slider, etc.): one for setting the color temperature and one for setting the brightness at this selected color temperature.
  • the system has a suitable sensor system (e.g. brightness sensors, color temperature sensors, etc.) which registers any changes in the lighting conditions in the environment and allows the system to dim according to its configuration.
  • a suitable sensor system e.g. brightness sensors, color temperature sensors, etc.
  • any dimming according to the above explanations is technically not feasible because - for safety reasons - the maximum power of each channel, but also the total power of all channels of the entire system, must not be exceeded.
  • the invention now consists, inter alia, in implementing a current limitation for the second non-master channel (or for further non-master channels).
  • a two-channel system is considered below without loss of generality.
  • the "master channel” can be run with a power P_K1 in a range between minimum and maximum power, with its maximum power corresponding to the maximum power P_System of the overall system.
  • P_ K2 P _ system ⁇ P _ K 1
  • dimming ⁇ value P _ K 2 u _ K 2 ⁇ chosen electricity
  • the maximum current is thus limited to I max in order not to exceed the nominal power of the system.
  • One measure that prevents this is the inventive recalibration of the current value for the first channel (the master channel) after limiting the current value for the second channel, so that although the overall brightness of the system is reduced, the desired color coordinates of the mixed light are maintained .
  • the voltage across the second channel U_K2 (the voltage across the second LED line) is measured (in a 2-channel system) in the device (system). This measurement results in the permissible maximum current through the second channel I max , which in turn can be expressed as a dimming value.
  • the power of the first channel P_K1 must be recorded - the maximum permissible total power P_System is known - as well as the voltage across the second channel U_K2 in order to determine the information about the maximum permissible current I max in the second channel depending on this.
  • any Nth channel can be used as the master channel.
  • a measuring and control circuit for the LED current and the voltage for two LED lines contains, as well as the control circuit, which carries out an internal maximum power limitation and, depending on this, outputs a control variable that determines the LED power, in particular the clocking of a switch of a clocked LED converter, is in figure 2 shown.
  • FIG. 2 shows a dimmable 2-channel LED system.
  • the preferably software-based part (e.g. microcontroller) 8 of the system is shown, on the right side the part preferably implemented in hardware in the form of 2 LED drivers 9A, 9B for two LED lines each, for example with a cold white diode 16A in channel 1 and a warm white diode 16B in channel 2, and both driven by a converter 13A, 13B, preferably by a buck converter as in figure 1 is shown.
  • Each LED driver unit 9A, 9B also contains two resistance paths arranged parallel to one another, on which in turn the actual values of the LED-side voltage U_K1, U_K2 and/or the current LED-side current I_K1, I-K2 are measured and the measurement results 17A, 17B, 18A, 18B are supplied to a control unit 11, for example in the software part 8.
  • the control unit 11 is also supplied with the desired values 19A, 19B with regard to color temperature and brightness of both channels, e.g. However, as already mentioned, the values can be automatically recorded by an external (measuring) sensor system and also automatically forwarded to the control unit 11 .
  • the control unit 11 thus receives desired values for the mixed color of the overall LED system 21 and its brightness, as well as the actual values of currents and voltages of the respective LED sections 16A, 16B (channels). Due to the necessary limitation of the voltages or currents in the LEDs - in other words the unavoidable power limitation of each LED line 16A, 16B involved in the overall system 21 - it is not always possible to use the signals supplied by the interface 10, e.g. those desired or required by the user. to realize color-brightness pairs required by the sensor system. However, the present invention makes it possible to come as close as possible to these target values, either in terms of the color temperature or in terms of its intensity or, if necessary, by means of a compromise in the form of an acceptable intermediate value.
  • control unit 11 calculates possible setpoint values 20A, 20B from the actual values 17A, 17B, 18A, 18B and the desired setpoint values 19A, 19B, which best correspond to the preferences of the user and/or the specifications of the sensors.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren im Bereich eines vorzugsweise Zweikanal-LED-Moduls, wobei beide Kanäle separat voneinander angesteuert werden können, um ein Farbtemperaturdimmen zur erzielen.
  • Vorbekannte Vorrichtungen zum Zweikanal-Farbtemperaturdimmen sind zumeist LED-Systeme, die eine Gruppe kaltweißer und eine Gruppe warmweißer LED-Elemente in der Regel auf einem gemeinsamen Chip aufweisen, d.h. auf einem einzigen Substrat aufgebracht sind.
  • Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in US 2012038286 offenbart.
  • Die Vorrichtung umfasst unter anderem einen Stromtreiber der einen ersten und einen zweiten Treiberstrom erzeugt. Der erste Treiberstrom bewirkt das Leuchten einer ersten Gruppe von LED-Chips mit einer ersten Farbtemperatur und Helligkeit (Intensität). Der zweite Treiberstrom bewirkt das Leuchten einer zweiten Gruppe von LED-Chips mit einer zweiten Farbtemperatur und zweiten Helligkeit.
  • Um den Farbabstimmungsprozess zu homogenisieren, können die farbunterschiedlichen LED-Gruppen bzw. -Elemente auch gemischt auf dem Substrat angeordnet sein.
  • Allerdings umfasst die besagte Vorrichtung und das von dieser umgesetzte Verfahren ein separates Steuern beider Antriebsströme, sodass ein vom Benutzer gewünschtes Licht resultiert mit einer gewählten Farbtemperatur bei einer gewählten Intensität.
  • Da die Treiberschaltung dieser Vorrichtung unter anderem eine Steuerung, einen Speicher und außer dem Stromtreiber auch über einen Datenbus sowie über eine Sensorschnittstelle verfügt, welche mehrere CPU's, Prozessoren, Gate's, Array's, Hardware-Logik und Speicherdokumente aufweist, ist für eine solche Vorrichtung ebenso ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, durch das das Verfahren der Farbdimmung implementiert wird.
  • Die Treiberschaltung dieser Vorrichtung weist eine Schaltungsordnung auf, die so konfiguriert ist, dass Antriebsströme (erster und zweiter Antriebsstrom) erzeugt werden, die in der Lage sind, sowohl die erste als auch die zweite Gruppe von LEDs von ihrem jeweiligen "Aus"-Zustand bis zum Zustand ihrer maximalen Intensität zu steuern.
  • Dabei setzt die Treiberschaltung derzeit die Pegel der ersten und zweiten Antriebsströme auf Basis einer Benutzereingabe (über ein interaktives Display, Tastatur, Dreh- oder Schieberegler, etc.) und/oder auf Basis sensorbasierter Rückmeldungen, weshalb diese Schaltung im eigentlichem Sinn keine Steuerung darstellt, sondern eine Regelung. Das von dem gesamten LED-System emittierte resultierende Licht ist letztendlich eine Kombination aus Farbtemperatur und Intensität des Lichtes bei dieser Farbtemperatur.
  • Allerdings wird in US 2012038286 darauf hingewiesen, dass das LED-System nicht nur auf zwei Gruppen von LED-Chips beschränkt ist, sondern eine beliebige Anzahl von LED-Gruppen mit jeweils eigener individueller Farbtemperatur und Helligkeitsverhalten aufweisen kann. Notwendig ist dabei eine entsprechende Anzahl von Antriebsströmen (abhängig von der Kapselung), die von der Treiberschaltung zur Verfügung gestellt werden muss.
  • Um Ströme für unterschiedliche Intensitäten und Farbtemperaturen spezifischer LED-Gruppen zu generieren greift die Regelung entweder auf in einem Speicher abgelegte Antriebsstromtabellen zurück oder berechnet die benötigten Werte für die jeweiligen Antriebsströme anhand von algebraischen Gleichungen selbst.
  • Zum Beispiel kann die sich bei der Überlagerung des Lichtes zweier LED-Gruppen ergebende Misch-Farbtemperatur (Tmisch) gemäß folgender Gleichung bestimmt werden:
    Figure imgb0001
     wobei LK die Intensität des kalten Weißlichtes und LW die des warmen Weißlichtes sowie TK und TW die jeweiligen Farbtemperaturen darstellen die möglicherweise von Sensoren gemessen werden.
  • Der Unterschied in der Farbtemperatur zwischen beiden Gruppen von LED-Chips sollte vorteilhafterweise mindestens 300 Kelvin betragen.
  • Die Werte der beiden Anstriebsströme (IK und IW) für die beiden Gruppen von LED-Chips (kaltweiß und warmweiß) ergeben sich ebenfalls algebraisch aus
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
     mit W als eine Konstante der Wirksamkeit (Einheit in Lumen pro Ampere) der warmweißen Gruppe von LED-Chips und K als eine Konstante der Wirksamkeit der kaltweißen Gruppe von LED-Chips bei einer Gesamtlichtleistung L und einer durchschnittlichen Farbtemperatur (Gesamtfarbtemperatur) T.
  • Obige Gleichungen ermöglichen es der Regelung sämtliche Antriebsströme zu berechnen, um eine gewünschte (physikalisch mögliche) Farbtemperatur bei einer ebenso gewünschten Helligkeit (Intensität) zur erzielen und die daraus resultierenden Parameter der Antriebsstromtabelle (Farbtemperatur, zwei Intensitätsstufen) zuzuführen um diese zu vervollständigen.
  • Die beispielsweise bei der Geräteherstellung im Speicher abgelegten Antriebsstromtabellen sind der Regelung bzw. den entsprechenden Modulen der Treiberschaltung über den Datenbus zugänglich. Oder aber die Antriebsstromtabellen werden durch den Prozessor gespeichert, indem Information von einem anderen Gerät z.B. über eine Netzwerkverbindung erfasst wird.
  • In einer möglichen Betriebsart werden die Antriebsströme auf konstante Ströme bei vorbestimmten Spannungspegeln gesetzt. In einer anderen möglichen Betriebsart werden durch (Aktivieren) aktuelle Amplituden der Antriebsströme definiert, die mit einer wählbaren Pulsrate gepulst werden.
  • Während des Betriebs empfangen die entsprechenden Treiber Antriebsstromparameter (z.B. von der Steuerung bzw. Regelung) und verwenden diese, um die entsprechenden Antriebsströme zu erzeugen.
  • Vorrichtungsindikatoren bzw. Geräteindikatoren, die Farbtemperatur und Intensität des gegenwärtig von der Lichtquelle emittierten Lichtes messen, dienen der Rückkopplung für die Treiberschaltung und sind Teil der Basis für die gesamte Regelung.
  • Die Änderung der Intensität und/oder der Farbtemperatur des von einer Lichtquelle (LED-System z.B. aus zwei Gruppen) emittierten Lichtes aufgrund einer Benutzereingabe und / oder aufgrund von Zeitsteuerungsindikatoren, Umgebungsindikatoren und Geräteindikatoren (auch im Rahmen einer Drift beteiligter physikalischer Parameter) wird generell als "Dimmen" bezeichnet.
  • Dabei sei bemerkt, dass sich das Dimmen mit beispielsweise nur zwei LED-Gruppen unterschiedlicher Farbtemperatur (z.B. kaltweiß und warmweiß) und Intensität sehr komplex gestaltet.
  • Ferner sei angemerkt, dass der Lichtstrom einer weißen LED (gemessen in Lumen, Im) proportional zu deren Antriebsstrom ist, wobei die Proportionalitätskonstante von der Farbtemperatur abhängig ist und wobei angenommen wird, dass alle anderen Faktoren gleich sind.
  • Beispielsweise erzeugt eine als 6000Kelvin-Kalt-Weiß-Quelle (engl. 6000K-Cool-White Source) konfigurierte LED Licht mit einer Rate von 100 Lumen pro Ampere, während eine 3000K-Warm-Weiß-Quelle Licht mit nur einer Rate von 70 Lumen pro Ampere generiert. Diese Ungleichheit muss beim Dimmen (insbesondere beim Berechnen der Antriebsströme) berücksichtig werden.
  • Bei der Regelung des LED-Stromes mit einem Dimmer ist entscheidend welche Art von Dimmregelung implementiert werden soll. Es gibt für das Dimmen im Wesentlichen zwei unterschiedliche Ansätze: Pulsweiten-moduliertes Dimmen (engl. Pulse-Width-Modulation, PWM) und analoges Dimmen.
    • o Beim PWM-Dimmen wird der LED-Strom in gewisser Weise zerhackt und durch Variation des Tastverhältnisses gesteuert.
    • o Beim Analog-Dimmen skaliert der Dimmer die Amplitude des LED-Stromes in konstanter Weise.
  • Der Dimmer kann so die Wechselstromleistung reduzieren, um eine Wechselspannung zu erzeugen die zu einem reduzierten (zweiten) Antriebsstrom führt.
  • Bei zwei oder mehr Dimm-Kanälen ist das analoge Dimmen von Vorteil, da mehrere PWM-Dimmsignale sogenannte Beatfrequenzen erzeugen, also Schwebungen hervorrufen können, die Flimmern oder hörbares Rauschen verursachen.
  • Analoges Dimmen, aber auch PWM-Dimmen zu realisieren erfolgt auf einfache Weise mit einem Abwärtswandler (engl. buck converter). Im Stand der Technik wird sogar vorgeschlagen einen geeigneten integrierten Schaltkreis (IC) zu verwenden (siehe Jon Kraft "Convert a Buck Regulator into a Smart LED Driver, Including Dimming; www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/convert-a-buck-regulator.html) beispielsweise den ADP2384 oder den ADP2441 der Firma ANALOG DEVICES. In einem Datenblatt von Texas Instruments wird Dimmen mit dem integrierten Schaltkreis TPS92075 vorgeschlagen.
  • Ein Buck-Converter ist eine Form von schaltendem Gleichspannungswandler und dient zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsseite galvanisch getrennter Gleichspannungen. Dabei ist die Ausgangsspannung Ua stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung Ue.
  • In Figur 1 ist eine einfache Variante eines Buck-Converters 1 dargestellt.
  • Ein Schalter 2 wird von einer Steuerung (nicht dargestellt) regelmäßig ein- und ausgeschaltet. Üblicherweise erfolgen einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen pro Sekunde, weshalb dieser Schalter 2 in der Regel einen Transistor darstellt.
  • Bei geschlossenem Schalter 2 wird elektrische Energie von Ue (links angeschlossene Spannungsquelle) zur rechts angeschlossenen Last 7 (hier eine LED oder ein LED-System) übertragen.
  • Sowohl die Spule 4 (Drossel) als auch der Elektrolyt-Kondensator 6 (ELKO) dienen als Energiespeicher und ermöglichen eine Versorgung der Last 7 in den Phasen, in denen der Schalter 2 geöffnet ist.
  • Während der Einschaltzeit Te fließt der Laststrom durch die Spule 4 und durch den Verbraucher 7, hier eine LED. Die Diode 3 sperrt. Während der Ausschaltphase Ta wird die in der Spule gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher 7 (LED) und durch den Widerstand 5 fließt weiter, jetzt aber aus dem Kondensator 6 durch die Diode 3.
  • Der Schaltzyklus des Schalters 2 kann entweder so eingestellt werden, dass der Spulenstrom niemals aufhört zu fließen (nicht lückender Betrieb) da der Schalter 2 bereits wieder geschlossen wird, bevor die gesamte in der Spule 4 gespeicherte Energie vollständig abgebaut ist.
  • Der Schaltzyklus kann aber auch so eingestellt werden, dass der Strom während des Zyklus' regelmäßig auf Null abfällt und stromlose bzw. spannungslose Intervalle entstehen (lückender Betrieb).
  • Um beide Betriebsarten bzw. deren Übergang von beiden Seiten aus exakt kontrollieren zu können, muss bei der Auslegung der Schaltung ein Regler eingesetzt werden, durch den sämtliche, zumindest die wichtigsten sich zum Teil rasch ändernden Parameter (Induktivität, Schaltfrequenz, Eingangsspannung, Ausgangsspannung, fließender Ausgangsstrom, Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Tastgrad, usw.) berücksichtigt werden können.
  • In der beispielsweise oben genannten Literatur wird daher angegeben, wie der jeweilige Integrierte Schaltkreis (IC) für die Regelung der Ausgangsspannung, insbesondere zum Dimmen, durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) im lückenden oder im nicht-lückenden Betrieb oder aber zum analogen Dimmen, verschaltet werden muss.
  • Weitere Schaltungsvorschläge für Buck-Converter in diesem Zusammenhang sind derzeit auch unter dem Link www.joretronik.de insbesondere dort im Kapitel 6 zu finden.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf Mehrkanal-LED-Module, insbesondere auf Zweikanal-LED-Module, die vorzugsweise einen kaltweißen und einen warmweißen Kanal aufweisen, und die separat voneinander so angesteuert werden können, dass eine Farbdimmung bei einer gleichzeitigen Helligkeitsdimmung erzielt werden kann. Um dies zu erreichen, ist eine hochpräzise Ansteuerung des jeweiligen LED-Stromes notwendig, wobei die Schwierigkeit im Wesentlichen darin besteht, die maximale Leistung, die ein einzelner Kanal erbringen kann bzw. darf, im Rahmen des Dimm-Prozesses nicht zu überschreiten, da sonst bei derzeitigen Systemen das LED-Modul bevor eine Überlastung entsteht komplett abgeschaltet wird (engl. system shut down). Eine weitere Methode nach derzeitigem Stand der Technik, ein dimmbares Mehrkanal-System gegenüber einer elektronischen Überbeanspruchung/Überlastung zu schützen, ist eine signifikante Leistungsbegrenzung für jeden Kanal.
  • Beide Vorgehensweisen sind aus der Sicht des Benutzers, aber auch aus der Sicht des Herstellers, unerwünscht, da bei einem shut-down das Gefühl vermittelt wird, die Beleuchtungsvorrichtung nicht richtig bedienen zu können bzw. bei einem nicht erzielbaren Farbtemperatur- und/oder Helligkeitswert der Eindruck entstehen kann, ein Gerät mit sehr begrenzter Leistungsfähigkeit erworben zu haben.
  • Die Druckschrift DE 10 2013 108552 A1 offenbart ein Mehrkanal-LED-System nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für ein Farbtemperatur- und Helligkeits-dimmbares Zwei- oder Mehrkanalsystem Sicherheitsmaßnahmen zu treffen, durch die ein maximales durch Dimmen bewirktes entstehendes Ausreizen des Farbtemperatur- und Helligkeitsbereiches kein Risiko für die technische Sicherheit des Systems darstellt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen beschrieben.
    • Figur 1 zeigt eine einfache Ausführungsform eines Buck-Konverters.
    • Figur 2 zeigt das Schaltschema eines Farb- und Helligkeits-dimmbaren Zwei-oder Mehrkanalsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, bei Farbtemperatur- und/oder Helligkeits-dimmbaren Zwei- oder Mehrkanal-LED-Systemen eine dynamische Überlastbegrenzung zu schaffen, die das System vor Leistungs-Überschreitung in einzelnen Kanälen bzw. in allen Kanälen schützt und eine möglicherweise auf die Umgebung übergreifende Schädigung oder sogar Zerstörung verhindert.
  • Ein "Dimmer" im allgemeinsten Sinne wird zur Steuerung der (veränderbaren) Leistungsaufnahme von (elektrisch betriebenen) Verbrauchern eingesetzt. Die Art der Dimmung richtet sich nach der Art des Verbrauchers bzw. nach dessen Lastcharakteristik.
  • Ist die veränderliche/die zu verändernde Größe von mehreren möglicherweise miteinander komplex wechselwirkenden Parametern abhängig, so ist für den Dimm-Prozess eine Steuerung unter Umständen nicht ausreichend, sondern eine Regelung notwendig.
  • Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen im einfachsten Fall zwischen zwei (z.B. auf einem gemeinsamen oder benachbarten Substrat) LED-Gruppen unterschiedlicher Farbtemperatur (beispielsweise kaltweiß und warmweiß) einen Mischwert der Farbtemperatur zu erzeugen und diesen aber unter der Vorgabe einer definierten Intensität also Helligkeit.
  • Erfolgt die Dimmung manuell, so verfügt der Benutzer über zwei Schnittstellen (Taster mit Display, Drehknopf, Schieber, etc.): eine für die Einstellung der Farbtemperatur und eine für die Einstellung der Helligkeit bei dieser gewählten Farbtemperatur.
  • Erfolgt die Dimmung vollautomatisch, so verfügt das System über eine geeignete Sensorik (z.B. Helligkeitssensoren, Farbtemperatursensoren, etc.) die gegebenenfalls Veränderungen der Lichtverhältnisse der Umgebung registriert und das System darauf entsprechend seiner Konfiguration dimmend reagieren lässt.
  • Bei Zwei- oder Mehrkanalsystemen nach dem Stand der Technik ist eine beliebige Dimmung gemäß obiger Ausführungen technisch nicht umsetzbar, da - aus Sicherheitsgründen - die Maximalleistung eines jeden Kanals, aber auch die Summenleistung aller Kanäle des Gesamtsystems, nicht überschritten werden darf.
  • Dies hat beispielsweise zur Folge, dass ein 50Watt 2-Kanal-System mit jeweils 25W an jedem Kanal gefahren werden darf, bei Überschreitung dieser Leistung in nur einem Kanal jedoch das System sofort heruntergefahren wird.
  • Allerdings ist es nach wie vor von Interesse bei einem solchen 50W-2-Kanal-Gerät einen Einzelkanal bis zu 50W zu Betreiben ohne dass das System abgeschaltet wird. Ein solcher Kanal wird in der vorliegenden Erfindung "Masterkanal" genannt.
  • Die Erfindung besteht nun unter anderem darin, eine Strombegrenzung für den zweiten Nicht-Masterkanal (oder für weitere Nicht-Masterkanäle) zu implementieren.
  • Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit ein Zweikanalsystem betrachtet.
  • Der "Masterkanal", kann mit einer Leistung P_K1 in einem Bereich zwischen minimaler und maximaler Leistung gefahren werden, wobei dessen maximale Leistung der maximalen Leistung P_System des Gesamtsystems entspricht.
  • Die maximale Leistung des zweiten Kanals P_K2 hängt nun von der Last des ersten Kanals ab. Sie kann nur die zulässige Summenleistung minus der aktuell gemessenen Leistung des ersten Kanals betragen: P _ K 2 = P _ System − P _ K 1
    Figure imgb0004
  • Die Leistung des ersten Kanals P_K1 muss technisch-physikalisch ermittelt werden. Sobald dadurch die maximale Leistung des zweiten Kanals P_K2 bekannt ist, führt dies auch zu einer Strombegrenzung Imax die wie folgt ermittelt wird: P _ K 2 = U _ K 2 ⋅ Dimm − Wert ⋅ gewählter Strom
    Figure imgb0005
     wobei der Wert für (Dimm-Wert · gewählter Strom) gesetzt wird und der Wert für den Strom des zweiten Kanals U_K2 gemessen werden muss.
  • Somit gilt für den zu beschränkenden Strom I max = Dimm − Wert ⋅ gewählter Strom = P _ K 2 U _ K 2
    Figure imgb0006
  • Da der gewählte Strom ein fester Wert ist, muss nur noch der Dimm-Wert begrenzt werden. Dimm − Wert = P _ K 2 U _ K 2 ⋅ gewählter Strom
    Figure imgb0007
  • Unter Berücksichtigung einer Toleranzbreite von ca. 10% nach oben ist der maximale Strom somit auf Imax begrenzt, um die Nennleistung des Systems nicht zu überschreiten.
  • Falls die Situation entstehen sollte, dass durch die aktuelle Leistung des zweiten Kanals P_K2 die verbleibende maximal zulässige Leistung P_System überschritten wird, so tritt erfindungsgemäß eine Sicherheitsmaßnahme in Kraft, durch die die Leistung des zweiten Kanals P_K2 reduziert und dementsprechend der Sollwert des Stroms für den zweiten Kanal I_K2 vermindert wird.
  • Dabei muss allerdings in Kauf genommen werden, dass durch diese einseitige Verringerung des Stroms allein auf Kanal 2, ohne Veränderung des entsprechenden Sollwertes auf Kanal 1, sich die Farbkoordinate des Systems (auch eines N-Kanalsystems) verändern kann.
  • Eine Maßnahme die dies verhindert, ist die erfindungsgemäße Nachkalibrierung des Stromwertes für den ersten Kanal (den Master-Kanal) nach der Begrenzung des Stromwertes für den zweiten Kanal, sodass sich zwar insgesamt die Helligkeit des Systems verringert, die gewünschte Farbkoordinate des Mischlichtes jedoch gehalten wird.
  • Zusammengefasst wird also (bei einem 2-Kanal-System) die Spannung über den zweiten Kanal U_K2 (die Spannung über die zweite LED-Strecke) im Gerät (System) gemessen. Aus dieser Messung ergibt sich der zulässige Maximalstrom durch den zweiten Kanal Imax, der sich wiederum als Dimm-Wert ausdrücken lässt.
  • Erfasst werden muss somit die Leistung des ersten Kanals P_K1 - die maximal zulässige Summenleistung P_System ist bekannt - sowie die Spannung über den zweiten Kanal U_K2, um abhängig davon die Information des maximal zulässigen Stroms Imax im zweiten Kanal zu ermitteln.
  • Selbstverständlich kann bei einem Mehrkanalsystem (N-Kanal-System) jeder beliebige N-te Kanal als Masterkanal verwendet werden.
  • Eine Mess- und Regelungsschaltung für den LED-Strom und die Spannung bei zwei LED-Strecken enthalten, sowie die Steuerschaltung, die eine interne Maximalleistungsbeschränkung durchführt und abhängig davon eine die LED-Leistung bestimmende Steuergröße ausgibt, insbesondere die Taktung eines Schalters eines getakteten LED-Konverters, ist in Figur 2 dargestellt.
  • Fig. 2 zeigt ein dimmbares 2-Kanal-LED-System. Auf der linken Seite von Figur 2 ist der vorzugsweise Softwarebasierte Teil (bspw. Mikrokontroller) 8 des Systems abgebildet, auf der rechten Seite der vorzugsweise in Hardware ausgeführte Teil in Form von 2 LED-Treibern 9A, 9B jeweils für zwei LED-Strecken, beispielsweise mit einer kaltweiß-Diode 16A in Kanal 1 und einer warmweiß-Diode 16B in Kanal 2, und beide jeweils von einem Converter 13A, 13B angesteuert, vorzugsweise von einem Buck-Converter wie er in Figur 1 dargestellt ist.
  • Jede LED-Treibereinheit 9A, 9B enthält auch jeweils zwei parallel zueinander angeordnete Widerstand-Strecken, an denen wiederum jeweils mit einem Spannungsmeßgerät 14A, 14B sowie mit einem Strommeßgerät 15A, 15B die Istwerte der LED-seitige Spannung U_K1, U_K2 und/oder der aktuelle LED-seitige Strom I_K1, I-K2 gemessen werden und die Messergebnisse 17A, 17B, 18A, 18B einer Steuereinheit 11 bspw. im Software-Teil 8 zugeführt werden.
  • Der Steuereinheit 11 weiterhin zugeführt werden die Soll-Werte 19A, 19B hinsichtlich Farbtemperatur sowie Helligkeit beider Kanäle z.B. seitens eines Benutzers, die von diesem manuell über bzw. in eine geeignete Schnittstelle 10 eingestellt bzw. eingegeben werden. Die Werte können aber - wie bereits erwähnt-von einer externen (Mess-) Sensorik automatisch erfasst und an die Steuereinheit 11 ebenso automatisch weitergegeben werden.
  • Die Steuereinheit 11 erhält somit Sollwerte für die Mischfarbe des LED-Gesamtsystems 21 und dessen Helligkeit sowie die tatsächlich anliegenden Istwerte von Strömen und Spannungen der jeweiligen LED-Strecken 16A, 16B (Kanäle). Aufgrund der notwendigen Begrenzung der Spannungen bzw. Ströme in den LEDs-in anderen Worten der unvermeidbaren Leistungsbegrenzung jeder beteiligten LED-Strecke 16A, 16B des Gesamtsystems 21 - ist es nicht immer möglich, die von der Schnittstelle 10 gelieferten, z.B. vom Benutzer erwünschten bzw. vom Sensorsystem geforderten, Farb-Helligkeitspaare zu realisieren. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es jedoch, diesen Sollwerten bestmöglich nahe zu kommen, entweder seitens der Farbtemperatur oder seitens deren Intensität oder gegebenenfalls durch einen Kompromiss in Form eines akzeptablen Zwischenwertes.
  • Zu diesem Zweck berechnet die Steuereinheit 11 aus den Ist-Werten 17A, 17B, 18A, 18B sowie den gewünschten Soll-Werten 19A, 19B mögliche Sollwerte 20A, 20B die den Präferenzen des Benutzers und/oder den Vorgaben der Sensorik bestmöglich entsprechen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Buck-Konverter (Abwärtswandler)
    2
    Schalter (Transistor)
    3
    Diode (Schottky, Zener, Transistor, etc.)
    4
    Drossel (Spule)
    5
    Ohmscher Widerstand
    6
    ELKO (Elektrolyt-Kondensator)
    7
    LED (Leuchtdiode)
    8
    Software-Teil
    9A
    LED-Treibereinheit Kanal 1
    9B
    LED-Treibereinheit Kanal 2
    10
    Schnittstelle
    11 e
    Steuereinheit
    12A
    Stromregler Kanal 1
    12B
    Stromregler Kanal 2
    13A
    Buck-Konverter Kanal 1
    13B
    Buck-Konverter Kanal 2
    14A
    Spannungsmessung Kanal 1
    14B
    Spannungsmessung Kanal 2
    15A
    Strommessung Kanal 1
    15B
    Strommessung Kanal 2
    16A
    LED-Strecke (Diode/Dioden) kaltweiß
    16B
    LED-Strecke (Diode/Dioden) warmweiß
    17A
    Strom-Istwert Kanal 1
    17B
    Strom-Istwert Kanal 2
    18A
    Spannung-Istwert Kanal 1
    18B
    Spannung-Istwert Kanal 2
    19A
    z.B. benutzerdefinierte Sollwerte Kanal 1
    19B
    z.B, benutzerdefinierte Sollwerte Kanal 2
    20A
    bestmögliche Sollwerte Kanal 1
    20B
    bestmögliche Sollwerte Kanal 2
    21
    LED-Gesamtsystem

Claims (4)

  1. Farbtemperaturdimmbares Mehrkanal-LED-System, aufweisend:
    - eine Treibereinheit (8),(9A),(9B), die ausgelegt ist zur Versorgung wenigstens zweier LED-Ausgangskanäle (16A),(16B) mit jeweils einem auf einen Sollwert geregelten Strom (I_K1),(I_K2),
    wobei die Treibereinheit (8),(9A),(9B) weiterhin dazu ausgelegt ist, eine Maximalleistung eines jeden LED-Ausgangskanals der wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A),(16B) einerseits sowie eine Summenleistung sämtlicher LED-Ausgangskanäle der wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A),(16B) andererseits auf vorgegebene Werte zu begrenzen, und
    wobei die Treibereinheit (8),(9A),(9B) dazu ausgebildet ist, den Sollwert eines beliebigen LED-Ausgangskanals (16B) der wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A, 16B) zu verringern, wenn seine aktuelle Leistung (P_K2) grösser als eine maximal zulässige Summenleistung (P_System) der wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A, 16B) abzüglich einer aktuellen Leistung (P_K1) von weiteren LED-Ausgangskanälen der wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A, 16B) ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine durch eine Veränderung des Sollwertes des beliebigen LED-Ausgangskanals (16B) sich ergebende Veränderung einer Farbkoordinate des Systems durch eine Nachkalibrierung kompensiert wird, indem die Treibereinheit (8),(9A),(9B) dazu ausgebildet ist, den Sollwert eines aus den zumindest zwei LED-Ausgangskanälen (16A, 16B) ausgewählten Master-Ausgangskanals (16A) soweit zu reduzieren, dass bei verringerter Helligkeit des Systems eine gewünschte Farbkoordinate eines Mischlichtes gehalten wird, wobei der Master-Ausgangskanal (16A) ausgebildet ist, bis zu 50 W betrieben zu werden, ohne dass das System abgeschaltet wird.
  2. Mehrkanal-LED-System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A),(16B) zwei Weisslicht-Ausgangskanäle sind.
  3. Mehrkanal-LED-System nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A),(16B) ein Warmweisslicht-Ausgangskanal und ein Kaltweißlicht-Ausgangskanal sind.
  4. Verfahren zur dynamischen Überlastbegrenzung bei farbtemperaturdimmbaren Mehrkanal-LED-Systemen, aufweisend die folgenden Schritte:
    - Messen von jeweiligen Ist-Werten eines Stromes (17A, 17B) und einer Spannung (18A, 18B) an wenigstens zwei LED-Ausgangskanälen (16A, 16B) definierter Farbtemperatur und Helligkeit mittels jeweiligen den LED-Ausgangskanälen (16A),(16B) zugeordneten Treiber-Hardware-Kanälen (9A),(9B), wobei je Treiber-Hardware-Kanal (9A), (9B) der jeweilige Strom-Ist-Wert (17A, 17B) an einem dem Treiber-Hardware-Kanal (9A), (9B) zugehörigen Stromregler (12A, 12B) gemessen wird;
    - Zuführen dieser Ist-Werte (17A, 17B, 18A, 18B) an eine Steuereinheit (11) in einem Software-Teil (8) einer Treibereinheit (8),(9A),(9B)
    - Berechnen möglicher Sollwerte (20A, 20B) für Farbtemperatur und Helligkeit eines Gesamtsystems (21) aus von einer Schnittstelle (10) gelieferten Soll-Werten (19A, 19B) und den Ist-Werten (18A, 18B) der Spannungsmessung sowie den Ist-Werten (17A, 17B) der Strommessung durch die Steuereinheit (11);
    - Zuführen der möglichen Sollwerte (20A, 20B) an die jeweiligen Stromregler (12A, 12B) und
    - Konfigurieren eines jedem Treiber-Hardware-Kanal (9A,9B) zugehörigen Abwärtswandlers (13A, 13B) durch die jeweiligen Stromregler (12A, 12B) auf Basis der Ist-Werte (17A, 17B) der Strommessung sowie der möglichen Sollwerte (20A, 20B) und zwar so, dass ein möglicher Sollwert (20B) eines beliebigen LED-Ausgangskanals (16B) der wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A, 16B) verringert wird, wenn seine aktuelle Leistung (P_K2) grösser als eine maximal zulässige Summenleistung (P_System) der wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A, 16B) minus einer aktuellen Leistung (P_K1) von weiteren LED-Ausgangskanälen (16A) der wenigstens zwei LED-Ausgangskanäle (16A, 16B) ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine durch die Veränderung des Sollwertes sich ergebende Veränderung der Farbkoordinate des Systems durch eine Nachkalibrierung kompensiert wird, indem die Treibereinheit (8),(9A),(9B) den möglichen Sollwert eines aus den wenigstens zwei LED-Ausgangskanälen (16A, 16B) ausgewählten Master-Ausgangskanals (16A) soweit reduziert, dass bei verringerter Helligkeit des Systems eine gewünschte Farbkoordinate eines Mischlichtes gehalten wird, wobei der Master-Ausgangskanal (16A) ausgebildet ist, bis zu 50 W betrieben zu werden, ohne dass das System abgeschaltet wird.
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