EP3726936A1 - Betriebsgerät für leuchtmittel mit einem resonanzwandler - Google Patents

Betriebsgerät für leuchtmittel mit einem resonanzwandler Download PDF

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EP3726936A1
EP3726936A1 EP20166560.1A EP20166560A EP3726936A1 EP 3726936 A1 EP3726936 A1 EP 3726936A1 EP 20166560 A EP20166560 A EP 20166560A EP 3726936 A1 EP3726936 A1 EP 3726936A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transformer
circuit
rectifier
bridge
switches
Prior art date
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Pending
Application number
EP20166560.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jakob Maldoner
Harald Netzer
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tridonic GmbH and Co KG filed Critical Tridonic GmbH and Co KG
Publication of EP3726936A1 publication Critical patent/EP3726936A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/39—Circuits containing inverter bridges
    • 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]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/345—Current stabilisation; Maintaining constant current
    • 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]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/382—Switched mode power supply [SMPS] with galvanic isolation between input and output

Definitions

  • the present invention relates to an operating device for lighting means, in which the operating voltage or operating current required for the lighting means is generated by means of a resonance converter and in which the current delivered to the lighting means is detected for controlling the resonance converter, as well as a corresponding method for controlling the Control gear.
  • Resonance converters with a series or parallel resonance circuit are often used in control gear to enable energy-efficient operation with low switching losses.
  • the current emitted by the resonance converter can be recorded for the control or regulation of the operating device.
  • the DE 10 2015 223 738 A1 discloses an LLC resonance converter with a transmitter / transformer that generates a direct current for the operation of a light emitting device consisting of light-emitting diodes and in which the current delivered to the light-emitting device is detected indirectly by means of an auxiliary winding of the transformer in order to provide galvanic isolation between the mains voltage side and the Maintain bulbs.
  • the alternating current output by the auxiliary winding is rectified by a rectifier and measured by the control device with a measuring resistor / voltage divider.
  • the determination of the current delivered to the lamp by means of an auxiliary winding magnetically coupled to the primary winding of the transformer is, however, imprecise.
  • the invention is based on the object of specifying devices and methods which reduce the problems described.
  • the object is, in particular, to provide an operating device for lighting means with a resonance converter and a method for controlling an operating device having a resonance converter, which allow precise detection of the current delivered to the lighting means or the voltage supplied to the lighting means with a simple and inexpensive structure.
  • an operating device for operating lighting means comprises a resonance converter for providing a voltage and a current for operating the lighting means, a measuring circuit for detecting the current delivered by the resonance converter to the lighting means and a control device for controlling the resonance converter on the basis of the detected current.
  • the resonance converter consists of at least a half-bridge circuit, a resonance circuit coupled to the half-bridge circuit, and a transformer coupled to the resonance circuit.
  • the measuring circuit has a transformer and a rectifier with at least one controllable switch, with at least one primary winding of the transformer detecting the current output by the secondary winding of the transformer, the rectifier rectifying the current output by the secondary winding of the transformer and the controllable switch based on a is controlled between the two switches of the half-bridge circuit detected signal.
  • the transformer is used for signal transmission to the control device arranged on the primary side for the control of the half-bridge circuit, while maintaining the electrical isolation, whereby the acquisition of the current delivered by the secondary winding of the transformer enables an exact determination of the current delivered to the illuminant.
  • the control of the rectifier on the basis of the signal detected between the two switches of the half-bridge circuit enables, in contrast to control on the basis of the control signals of the switches of the half-bridge circuit, a complete rectification of the current, since no components of the current are caused by the dead time between the control signals conditional delayed switching on are cut off.
  • the secondary winding of the transformer can be connected to a full-wave rectifier, in particular a bridge rectifier, the transformer being connected to the full-wave rectifier or the bridge rectifier and a primary winding for detecting the positive current flowing into the rectifier and a primary winding for detecting the positive current flowing into the rectifier having negative current.
  • the rectifier of the measuring circuit can be a bridge rectifier with four controllable switches.
  • the measuring circuit can have a comparator which compares the detected signal with a predetermined voltage and outputs a switch-on signal to the switches in one branch of the bridge rectifier if the detected signal is above the predetermined voltage and outputs a switch-on signal to the switches in the other branch of the bridge rectifier when the detected signal is below the specified voltage.
  • the switches of one branch of the bridge rectifier can be PNP transistors and the switches of the other branch of the bridge rectifier can be NPN transistors.
  • the resonance converter can be an LLC resonance converter.
  • a bridge rectifier can be connected to the secondary winding of the transformer, the positive current flowing through the bridge rectifier being detected by means of a first primary winding of the transformer and the negative current flowing through the bridge rectifier being detected by a second primary winding of the transformer.
  • the rectification of the current delivered by the secondary winding of the transformer can be done by means of a bridge rectifier with four controllable switches.
  • the detected signal can be compared with a predetermined voltage, a switch-on signal being output to the switches in one branch of the bridge rectifier if the detected signal is above the predetermined voltage, and a switch-on signal is output to the switches in the other branch of the bridge rectifier when the detected signal is below the specified voltage.
  • Fig. 1 shows a simplified schematic representation of an operating device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the operating device 1 is used to operate a lighting means 4 connected to its output connections 2, 3, which can comprise a light-emitting diode (LED, OLED) or several LEDs or OLEDs connected in series or in parallel.
  • LED light-emitting diode
  • OLED light-emitting diode
  • a supply voltage which can be an AC mains voltage of 230 volts, is fed to the two input connections L, N of the operating device 1 shown.
  • the operating device 1 has a power factor correction circuit 5 connected to the input connections L, N, a resonance converter 6 connected to the output connections 2, 3, a measuring circuit 7 and a control device 8 which controls at least the resonance converter 6.
  • the power factor correction circuit 5 is used to provide the operating voltage for the resonance converter 6 at the circuit points 9 and 10, which can be a direct voltage of 400 volts, and to correct the power factor (so-called power factor correction), in which the switching times of the with a pulse-width modulated control voltage switched on and off switch of a DC voltage converter are selected so that the input current of the circuit follows a sinusoidal curve that is in phase with the curve of the AC mains voltage, from which the supply of the operating voltage is achieved.
  • Fig. 2 shows a simplified circuit of the resonance converter 6, which comprises a primary-side part 11 and a secondary-side part 12, which are coupled via a potential barrier 15 by means of a transformer having a primary coil 13 and a secondary coil 13.
  • the potential barrier 15 is used for galvanic separation (protective separation) from the mains voltage side with a grounded star point.
  • the primary-side circuit part 11 comprises an LLC resonant circuit which is designed as a series resonant circuit and has a capacitance 16, a first inductance 17 and the primary coil 13 as a second inductance 30 in a series circuit, as well as a half-bridge with a first switch 18 and a second switch 19
  • the operating voltage provided by the power factor correction circuit 7 at the connection points 9 and 10 is applied to the half bridge, the first switch 18 being connected to the connection point 9 and the second switch 19 to the connection point 9.
  • the LLC resonant circuit is connected to node 9 and the center M of the half bridge between the two switches 18 and 19, i.e. the series resonant circuit is connected in parallel with the second switch 19 and in series with the first switch 18.
  • the secondary-side circuit part 12 has a bridge rectifier connected to the secondary coil 14 and formed by four diodes 20..23 and a buffer capacitor 24 connected downstream of the bridge rectifier and connected in parallel to the output connections 2, 3.
  • a full-wave rectifier with two diodes can be used, the center of the secondary coil 14 being connected to the output connection 3 and the ends of the secondary coil 14 being connected to the output connection 2 via the two diodes.
  • the resonance converter 6 converts the operating voltage provided by the power factor correction circuit 5 at the circuit points 9 and 10 into a desired direct voltage or a direct current for the lighting means 4.
  • the control device 8 controls the first switch 18 and the second switch 19 in such a way that only one of the two switches is always switched on.
  • Each of the switches 18, 19 can be switched with the same switching frequency, the switching frequency with which the switches 18, 19 are switched clocked is changed to change the brightness (dimming level) of the lighting means 4 connected to the output connections 2, 3 .
  • a specification for the assignment of a dimming level to a corresponding switching frequency can be specified by the manufacturer or user, if necessary, for different lighting means that represent different loads and e.g. get saved.
  • the measuring circuit 7 shown has a transformer consisting of two primary windings 25, 26 and a secondary winding 27 and a controllable rectifier 28.
  • one of the two primary windings 25, 26 is arranged in a branch of the bridge rectifier formed by the four diodes 20..23 and the current of the respective rectifier branch flows through it, the primary winding 25 being connected between the output of the diode 22 and the output terminal 2 and primary winding 26 is connected between the output of diode 20 and output terminal 2.
  • the current flowing alternately in the two primary windings 25, 26 is detected by the secondary winding 27 across the potential barrier 15 and rectified by the controllable rectifier 28 of the measuring circuit 7.
  • the rectifier 28 is controlled on the basis of the voltage profile across the LLC resonant circuit, which, depending on the winding direction of the transformer, is proportional or inversely proportional to the profile of the current output by the secondary winding 27.
  • the measuring circuit 7 detects the voltage between the center M of the half-bridge and the circuit point 10, which can be ground, and determines from this the switch-on and / or switch-off times of the controllable rectifier 28 to completely and without the current output by the secondary winding 27 that components in the current curve are cut off due to being switched on too late and / or switched off too early and are therefore not measured. If the rectifier 28 is switched on too late, for example, if the rectifier 28 is controlled by means of the switch-on signals S1, S2 sent by the control device 8 to the first switch 18 and the second switch 19, due to the dead time between the switch-on signals S1, S2.
  • Fig. 3 shows the voltage profile of the switch-on signal S1 of the switch 18, the voltage profile of the switch-on signal S2 of the switch 19, the profile of the current i D20 through the diode 20 and the profile of the current i D22 through the diode 22 for the converter operated below the resonance frequency, the Switch 18 is only activated or opened during time period T 1 and switch 19 is only activated during time period T 2 .
  • the rectifier 28 is driven on the basis of the switch-on signal S1 and / or S2 the front part iF D20 of the course of the current i D20 and the front part iF D22 of the course of the current i D22 are cut off and thus not detected by the measuring circuit 7.
  • Fig. 4 additionally shows the profile of the voltage u M between the center M of the half bridge and the circuit point 10. As shown in FIG Fig. 4 As can be seen, the voltage u M rises before the rise in the current i D20 and falls after the current i D20 has fallen to zero. The course of the voltage u M is recorded by the measuring circuit 7 and used to control the rectifier 28 in order to completely record the current output by the secondary winding 27.
  • Fig. 5 shows a simplified schematic representation of a measuring circuit 7 according to an embodiment of the present invention.
  • the measurement circuit 7 shown has a comparator formed from a diode 29 and three resistors R1, R2, R3, a bridge rectifier formed from four switches 30..33 and connected to the secondary winding 27, a switch 34 for inverting the switch control signal and a measuring resistor R4 .
  • the switches 18, 19 and 30..34 can be transistors, in particular metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFET).
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistors
  • the in Fig. 4 shown comparison voltage U s of, for example, 12 volts and the diode 29 is non-conductive when the voltage u M is greater than 12 volts.
  • a switch-on signal of approximately 12 volts is applied to the switches 30, 31 of a branch of the bridge rectifier and the switch 34, so that the switches 30, 31, 34 switch on or remain switched on during the time period T 3 and the switch that is switched on 30 prevents the switches 32, 33 of the other branch of the bridge rectifier from being switched on.
  • the diode 29 becomes conductive when the voltage u M is less than 12 volts, as a result of which the switch-on signal of the switches falls to zero, so that the switches 30, 31, 34 switch off or remain switched off.
  • the resistors R1, R2, R3 are dimensioned such that when the diode 29 is conducting, a switch-on signal is applied to the switches 32, 33 of the other branch of the bridge rectifier and these switch on or remain switched on during the period T 4 .
  • the bridge rectifier is thus clocked or controlled with the rising and falling curve of the voltage u M with respect to the comparison voltage U s . Since the time course of the secondary winding 27 The current output and supplied to the bridge rectifier is proportional to the voltage curve, the two rectifier branches are switched at the correct time.
  • the current output by the secondary winding 27 and rectified by the bridge rectifier of the measuring circuit 7 is detected at the switching point 36 by the control device 8 by means of a measuring resistor R4, which controls or regulates the resonance converter 6 on the basis of the detected current.
  • a deviation between the detected current and a predetermined value can be determined and the resonance converter 6 can be controlled in such a way that the determined deviation is reduced.
  • the control device 8 can be designed as a processor, a microprocessor, a controller, a microcontroller or an application-specific special circuit (ASIC, “Application Specific Integrated Circuit”) or a combination of the named units.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the branches of the bridge rectifier of the measuring circuit 7 each have transistors with different polarity, such as NPN transistors for the switches 30, 31 and PNP transistors for the switches 32, 33.
  • a midpoint two-way rectifier with two switches can be used.
  • Fig. 6 shows a simplified flow chart of the method according to the present invention, in which the sequence described in detail above is shown again with its essential points.

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Betriebsgerät (1) zum Betreiben von Leuchtmitteln (4) einen Resonanzwandler (6) zum Bereitstellen einer Spannung und eines Stroms für den Betrieb des Leuchtmittels (4), eine Messschaltung (7) zum Erfassen des von dem Resonanzwandler (6) an das Leuchtmittel (4) abgegebenen Stroms und eine Steuereinrichtung (8) zum Steuern des Resonanzwandlers (6) auf der Grundlage des erfassten Stroms auf. Der Resonanzwandler (6) besteht zumindest aus einer Halbbrückenschaltung, einem mit der Halbbrückenschaltung gekoppelten Resonanzkreis und einem mit dem Resonanzkreis gekoppelten Übertrager. Die Messschaltung (7) weist einen Transformator und einen Gleichrichter mit zumindest einem steuerbaren Schalter auf, wobei zumindest eine Primärwicklung des Transformators den von der Sekundärwicklung des Übertragers abgegebenen Strom erfasst, der Gleichrichter den von der Sekundärwicklung des Transformators abgegebenen Strom gleichrichtet und der steuerbare Schalter auf der Grundlage von einem zwischen den zwei Schaltern der Halbbrückenschaltung erfassten Signal angesteuert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, bei dem die für das Leuchtmittel nötige Betriebsspannung bzw. der Betriebsstrom mittels eines Resonanzwandlers erzeugt wird und bei dem der an das Leuchtmittel abgegebene Strom für die Steuerung des Resonanzwandlers erfasst wird, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Steuern des Betriebsgeräts.
  • Resonanzwandler mit einem Serien- oder Parallelresonanzkreis werden oft in Betriebsgeräten eingesetzt, um einen energieeffizienten Betrieb mit geringen Schaltverlusten zu ermöglichen. Für die Steuerung oder Regelung des Betriebsgeräts kann der von dem Resonanzwandler abgegebene Strom erfasst werden.
  • Die DE 10 2015 223 738 A1 offenbart einen LLC-Resonanzwandler mit einem Übertrager/Transformator, der einen Gleichstrom für den Betrieb eines aus Leuchtdioden bestehenden Leuchtmittels erzeugt und bei dem der an das Leuchtmittel abgegebene Strom indirekt mittels einer Hilfswicklung des Übertragers erfasst wird, um die galvanische Trennung zwischen der Netzspannungsseite und dem Leuchtmittel aufrechtzuerhalten. Der von der Hilfswicklung abgegebene Wechselstrom wird von einem Gleichrichter gleichgerichtet und mit einem Messwiderstand/Spannungsteiler von der Steuereinrichtung gemessen. Die Bestimmung des an das Leuchtmittel abgegebenen Stroms mittels einer mit der Primärwicklung des Übertragers magnetisch gekoppelten Hilfswicklung ist allerdings ungenau.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren anzugeben, die die beschriebenen Probleme verringern. Aufgabe ist es insbesondere, ein Betriebsgerät für Leuchtmittel mit einem Resonanzwandler und ein Verfahren zum Steuern eines einen Resonanzwandler aufweisenden Betriebsgeräts bereitzustellen, die eine genaue Erfassung des an das Leuchtmittel abgegebenen Stroms oder der dem Leuchtmittel zugeführten Spannung mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau erlauben.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Erfindung wird durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche weitergebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Betriebsgerät zum Betreiben von Leuchtmitteln einen Resonanzwandler zum Bereitstellen einer Spannung und eines Stroms für den Betrieb des Leuchtmittels, eine Messschaltung zum Erfassen des von dem Resonanzwandler an das Leuchtmittel abgegebenen Stroms und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Resonanzwandlers auf der Grundlage des erfassten Stroms auf. Der Resonanzwandler besteht zumindest aus einer Halbbrückenschaltung, einem mit der Halbbrückenschaltung gekoppelten Resonanzkreis und einem mit dem Resonanzkreis gekoppelten Übertrager. Die Messschaltung weist einen Transformator und einen Gleichrichter mit zumindest einem steuerbaren Schalter auf, wobei zumindest eine Primärwicklung des Transformators den von der Sekundärwicklung des Übertragers abgegebenen Strom erfasst, der Gleichrichter den von der Sekundärwicklung des Transformators abgegebenen Strom gleichrichtet und der steuerbare Schalter auf der Grundlage eines zwischen den zwei Schaltern der Halbbrückenschaltung erfassten Signals angesteuert wird.
  • Der Transformator dient der Signalübertagung zu der für die Ansteuerung der Halbbrückenschaltung primärseitig angeordneten Steuereinrichtung mit Beibehalten der galvanischen Trennung, wobei das Erfassen des von der Sekundärwicklung des Übertragers abgegebenen Stroms durch den Transformator eine genaue Bestimmung des an das Leuchtmittel abgegebenen Stroms ermöglicht. Die Ansteuerung des Gleichrichters auf der Grundlage des zwischen den zwei Schaltern der Halbbrückenschaltung erfassten Signals ermöglicht im Gegensatz zu einer Ansteuerung auf der Grundlage der Ansteuersignale der Schalter der Halbbrückenschaltung eine vollständige Gleichrichtung des Stromes, da keine Anteile des Stroms durch ein aus der Totzeit zwischen den Ansteuersignalen bedingtes verspätetes Einschalten abgeschnitten werden.
  • Die Sekundärwicklung des Übertragers kann mit einem Zweiweggleichrichter, insbesondere einen Brückengleicher, verbunden sein, wobei der Transformator mit dem Zweiweggleichrichter bzw. dem Brückengleicher verbunden ist und eine Primärwicklung zum Erfassen des in den Gleichrichter fließenden positiven Stroms und eine Primärwicklung zum Erfassen des in den Gleichrichter fließenden negativen Stroms aufweist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Gleichrichter der Messschaltung ein Brückengleichrichter mit vier steuerbaren Schaltern sein.
  • Die Messschaltung kann einen Komparator aufweisen, der das erfasste Signal mit einer vorgegebenen Spannung vergleicht und ein Einschaltsignal an die Schalter eines Zweigs des Brückengleichrichters ausgibt, wenn das erfasste Signal oberhalb der vorgegebenen Spannung liegt, und ein Einschaltsignal an die Schalter des anderen Zweigs des Brückengleichrichters ausgibt, wenn das erfasste Signal unterhalb der vorgegebenen Spannung liegt.
  • Die Schalter des einen Zweigs des Brückengleichrichters können PNP-Transistoren sein und die Schalter des anderen Zweigs des Brückengleichrichters NPN-Transistoren.
  • Der Resonanzwandler kann ein LLC-Resonanzwandler sein.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern eines einen Resonanzwandler und einen Übertrager aufweisenden Betriebsgeräts zum Betreiben von Leuchtmitteln folgende Schritte auf:
    • Ansteuern des Resonanzwandlers zum Bereitstellen einer Spannung für den Betrieb des Leuchtmittels, wobei der Resonanzwandler eine Halbbrückenschaltung, einen mit der Halbbrückenschaltung gekoppelten Resonanzkreis und einen mit dem Resonanzkreis gekoppelten Übertrager aufweist,
    • Erfassen des von dem Resonanzwandler an das Leuchtmittel abgegebenen Stroms, und
    • Steuern des Resonanzwandlers auf der Grundlage des erfassten Stroms, wobei die Erfassung mittels eines Transformators und eines Gleichrichters mit zumindest einem steuerbaren Schalter erfolgt und folgende Schritte aufweist:
    • Erfassen des von der Sekundärwicklung des Übertragers abgegebenen Stroms mittels zumindest einer Primärwicklung eines Transformators, und
    • Gleichrichten des von der Sekundärwicklung des Transformators abgegebenen Stroms mittels des Gleichrichters, wobei der steuerbare Schalter auf der Grundlage von einem zwischen den zwei Schaltern der Halbbrückenschaltung erfassten Signal angesteuert wird.
  • Ein Brückengleicher kann mit der Sekundärwicklung des Übertragers verbundenen sein, wobei der durch den Brückengleichrichter fließende positive Strom mittels einer ersten Primärwicklung des Transformators erfasst wird und der durch den Brückengleicher fließende negative Strom mittels einer zweiten Primärwicklung des Transformators erfasst wird.
  • Das Gleichrichten des von der Sekundärwicklung des Transformators abgegebenen Stroms kann mittels eines Brückengleichrichters mit vier steuerbaren Schaltern erfolgen.
  • Das erfasste Signal kann mit einer vorgegebenen Spannung verglichen werden, wobei ein Einschaltsignal an die Schalter eines Zweigs des Brückengleichrichters ausgegeben wird, wenn das erfasste Signal oberhalb der vorgegebenen Spannung liegt, und ein Einschaltsignal an die Schalter des anderen Zweigs des Brückengleichrichters ausgegeben wird, wenn das erfasste Signal unterhalb der vorgegebenen Spannung liegt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung,
    Fig. 2
    ein Ausführungsbeispiel des Resonanzwandlers des in Fig. 1 gezeigten Betriebsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung,
    Fig. 3
    die Verläufe von Strömen durch die Dioden des sekundären Brückengleichrichters und der Einschaltsignale der Schalter der Halbbrücke,
    Fig. 4
    zusätzlich zu den in Fig. 3 gezeigten Verläufen den Verlauf der an der Halbbrücke für die Ansteuerung des Gleichrichters der Messschaltung erfassten Spannung,
    Fig. 5
    ein Ausführungsbeispiel der Messschaltung des in Fig. 1 gezeigten Betriebsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung und
    Fig. 6
    ein vereinfachtes Ablaufdiagramm zur Darstellung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Komponenten mit gleichen Funktionen sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Betriebsgeräts 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Betriebsgerät 1 dient zum Betrieb von einem an seinen Ausgangsanschlüssen 2, 3 angeschlossenen Leuchtmittel 4, welches eine Leuchtdiode (LED, OLED) oder mehrere in Serie oder parallel geschaltete LEDs oder OLEDs umfassen kann.
  • An den zwei Eingangsanschlüssen L, N des abgebildeten Betriebsgeräts 1 wird eine Versorgungsspannung zugeführt, die eine Netz-Wechselspannung von 230 Volt sein kann. Das Betriebsgerät 1 weist eine mit den Eingangsanschlüssen L, N verbundene Leistungsfaktorkorrekturschaltung 5, einen mit den Ausgangsanschlüssen 2, 3 verbundenen Resonanzwandler 6, eine Messschaltung 7 und eine zumindest den Resonanzwandler 6 steuernde Steuereinrichtung 8 auf.
  • Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 5 dient zur Bereitstellung der Betriebsspannung für den Resonanzwandler 6 an den Schaltungspunkten 9 und 10, welche eine Gleichspannung von 400 Volt sein kann, sowie zur Korrektur des Leistungsfaktors (sog. Power Factor Correction), bei der die Schaltzeiten des mit einer pulsweitenmodulierten Steuerspannung ein- und ausgeschalteten Schalters eines Gleichspannungswandlers so gewählt werden, dass der Eingangsstrom der Schaltung einem sinusförmigen Verlauf folgt, der in Phase mit dem Verlauf der Netz-Wechselspannung ist, aus welcher die Bereitstellung der Betriebsspannung erzielt wird.
  • Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Schaltung des Resonanzwandlers 6, welche einen primärseitigen Teil 11 und einen sekundärseitigen Teil 12 umfasst, die mittels eines eine Primärspule 13 und eine Sekundärspule 13 aufweisenden Übertragers (oder Transformators) über eine Potentialbarriere 15 gekoppelt sind. Die Potentialbarriere 15 dient der galvanischen Trennung (Schutztrennung) zur Netzspannungsseite mit geerdetem Sternpunkt.
  • Der primärseitige Schaltungsteil 11 umfasst einen LLC-Resonanzkreis, der als Serienresonanzkreis ausgestaltet ist und eine Kapazität 16, eine erste Induktivität 17 und die Primärspule 13 als eine zweite Induktivität 30 in einer Serienschaltung aufweist sowie eine Halbbrücke mit einem ersten Schalter 18 und einem zweiten Schalter 19. An der Halbbrücke liegt die von der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 7 an den Schaltungspunkten 9 und 10 bereitgestellte Betriebsspannung an, wobei der erste Schalter 18 mit dem Schaltungspunkt 9 und der zweite Schalter 19 mit dem Schaltungspunkt 9 verbunden ist. Der LLC-Resonanzkreis ist mit dem Schaltungspunkt 9 und der Mitte M der Halbbrücke zwischen den zwei Schaltern 18 und 19 verbunden, d.h. der Serienresonanzkreis ist parallel zum zweiten Schalter 19 und in Reihe zum ersten Schalter 18 geschaltet.
  • Der sekundärseitige Schaltungsteil 12 weist einen mit der Sekundärspule 14 verbundenen und durch vier Dioden 20..23 gebildeten Brückengleichrichter und einen dem Brückengleichrichter nachgeschalteten und mit den Ausgangsanschlüssen 2, 3 parallel verbundenen Pufferkondensator 24 auf. Alternativ kann ein Zweiweggleichrichter mit zwei Dioden verwendet werden, wobei die Mitte der Sekundärspule 14 mit dem Ausgangsanschluss 3 verbunden und die Enden der Sekundärspule 14 über die zwei Dioden mit dem Ausgangsanschluss 2 verbunden ist.
  • Der Resonanzwandler 6 wandelt die von der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 5 an den Schaltungspunkten 9 und 10 bereitgestellte Betriebsspannung in eine gewünschte Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom für das Leuchtmittel 4 um. Hierfür steuert die Steuereinrichtung 8 den ersten Schalter 18 und den zweiten Schalter 19 so, dass immer nur einer der beiden Schalter leitend geschaltet ist. Dabei kann jeder der Schalter 18, 19 mit derselben Schaltfrequenz geschaltet werden, wobei zum Ändern der Helligkeit (Dimm-Pegel) des an den Ausgangsanschlüssen 2, 3 angeschlossenen Leuchtmittels 4 die Schaltfrequenz, mit der die Schalter 18, 19 getaktet geschaltet werden, geändert wird. Eine Vorschrift für die Zuordnung eines Dimm-Pegels zu einer entsprechenden Schaltfrequenz kann vom Hersteller oder Anwender ggf. auch für verschiedene Leuchtmittel, welche unterschiedliche Lasten darstellen, vorgegeben und z.B. gespeichert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für die Regelung des Resonanzwandlers 6 bzw. die Ansteuerung der Schalter 18, 19 der von dem Resonanzwandler 6 an das Leuchtmittel 4 abgegebene Strom mittels der Messschaltung 7 erfasst. Die in Fig. 2 gezeigte Messschaltung 7 weist einen aus zwei Primärwicklungen 25, 26 und einer Sekundärwicklung 27 bestehenden Transformator und einen steuerbaren Gleichrichter 28 auf. Jeweils eine der zwei Primärwicklungen 25, 26 ist in einem Zweig des durch die vier Dioden 20..23 gebildeten Brückengleichrichters angeordnet und wird von dem Strom des jeweiligen Gleichrichterzweigs durchflossen, wobei die Primärwicklung 25 zwischen dem Ausgang der Diode 22 und dem Ausgangsanschluss 2 angeschlossen ist und Primärwicklung 26 zwischen dem Ausgang der Diode 20 und dem Ausgangsanschluss 2 angeschlossen ist.
  • Der abwechselnd in den zwei Primärwicklungen 25, 26 fließende Strom wird von der Sekundärwicklung 27 über die Potentialbarriere 15 hinweg erfasst und von dem steuerbaren Gleichrichter 28 der Messschaltung 7 gleichgerichtet. Die Ansteuerung des Gleichrichters 28 erfolgt auf der Grundlage des Spannungsverlaufs über dem LLC-Resonanzkreis, welcher je nach Wickelrichtung des Transformators proportional oder umgekehrt proportional zu dem Verlauf des von der Sekundärwicklung 27 abgegebenen Stroms ist. Hierzu erfasst die Messschaltung 7 die Spannung zwischen der Mitte M der Halbbrücke und dem Schaltungspunkt 10, welcher Masse sein kann, und bestimmt daraus die Ein- und/oder Ausschaltzeitpunkte des steuerbaren Gleichrichter 28, um den von der Sekundärwicklung 27 abgegebenen Strom vollständig, und ohne dass Anteile im Stromverlauf wegen eines zu späten Einschaltens und/oder zu frühen Ausschaltens abgeschnitten und somit nicht mitgemessen werden, gleichzurichten. Ein zu spätes Einschalten des Gleichrichters 28 würde beispielsweise bei einer Steuerung des Gleichrichters 28 mittels den von der Steuereinrichtung 8 an den ersten Schalter 18 und den zweiten Schalter 19 abgegebenen Einschaltsignale S1, S2 auf Grund der Totzeit zwischen den Einschaltsignalen S1, S2 erfolgen.
  • Fig. 3 zeigt den Spannungsverlauf des Einschaltsignals S1 des Schalters 18, den Spannungsverlauf des Einschaltsignales S2 des Schalters 19, den Verlauf des Stroms iD20 durch die Diode 20 und den Verlauf des Stroms iD22 durch die Diode 22 bei den unterhalb der Resonanzfrequenz betriebenen Wandlers, wobei der Schalter 18 nur während der Zeitspanne T1 und der Schalter 19 nur während der Zeitspanne T2 angesteuert bzw. geöffnet ist. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, würde bei einer Ansteuerung des Gleichrichters 28 auf der Grundlage des Einschaltsignals S1 und/oder S2 der vordere Teil iFD20 des Verlaufs des Stroms iD20 und der vordere Teil iFD22 des Verlaufs des Stroms iD22 abgeschnitten und somit von der Messschaltung 7 nicht erfasst werden.
  • Fig. 4 zeigt zusätzlich den Verlauf der Spannung uM zwischen der Mitte M der Halbbrücke und dem Schaltungspunkt 10. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, steigt die Spannung uM vor dem Anstieg des Stroms iD20 an und fällt ab, nachdem der Stroms iD20 auf null abgesunken ist. Der Verlauf der Spannung uM wird von Messschaltung 7 erfasst und für die Ansteuerung des Gleichrichters 28 genutzt, um den von der Sekundärwicklung 27 abgegebenen Strom vollständig zu erfassen.
  • Fig. 5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Messschaltung 7 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die gezeigte Messschaltung 7 weist einen aus einer Diode 29 und drei Widerständen R1, R2, R3 gebildeten Komparator, einen aus vier Schaltern 30..33 gebildeten und mit der Sekundärwicklung 27 verbundenen Brückengleichrichter, einen Schalter 34 zum Invertieren des Schaltersteuersignals und einen Messwiderstand R4 auf. Die Schalter 18, 19 und 30..34 können Transistoren, insbesondere Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), sein.
  • An dem Anschluss 35 liegt die in Fig. 4 gezeigte Vergleichsspannung Us von beispielsweise 12 Volt an und die Diode 29 ist nichtleitend, wenn die Spannung uM größer als 12 Volt ist. In diesem Fall liegt an den Schaltern 30, 31 eines Zweigs des Brückengleichrichters und dem Schalter 34 ein Einschaltsignal von ca. 12 Volt an, so dass die Schalter 30, 31, 34 einschalten bzw. während der Zeitspanne T3 eingeschaltet bleiben und der eingeschaltete Schalter 30 ein Einschalten der Schalter 32, 33 des anderen Zweigs des Brückengleichrichters verhindert. Die Diode 29 wird dagegen leitend, wenn die Spannung uM weniger als 12 Volt beträgt, wodurch das Einschaltsignal der Schalter auf null abfällt, so dass die Schalter 30, 31, 34 ausschalten bzw. ausgeschaltet bleiben. Die Widerstände R1, R2, R3 sind so bemessen, dass bei leitender Diode 29 an den Schaltern 32, 33 des anderen Zweigs des Brückengleichrichters ein Einschaltsignal anliegt und diese einschalten bzw. während der Zeitspanne T4 eingeschaltet bleiben. Der Brückengleichrichter wird somit mit dem an- und absteigenden Verlauf der Spannung uM bezüglich der Vergleichsspannung Us getaktet bzw. gesteuert. Da der zeitliche Verlauf des von der Sekundärwicklung 27 abgegebenen und dem Brückengleichrichter zugeführten Stroms proportional zu dem Spannungsverlauf ist, erfolgt ein zeitrichtiges Schalten der zwei Gleichrichterzweige.
  • Der von der Sekundärwicklung 27 abgegebene und von dem Brückengleichrichter der Messschaltung 7 gleichgerichtete Strom wird an dem Schaltungspunkt 36 von der Steuereinrichtung 8 mittels einem Messwiderstand R4 erfasst, welche den Resonanzwandler 6 auf der Grundlage des erfassten Stroms steuert oder regelt. Hierzu kann eine Abweichung zwischen dem erfassten Strom und einem vorgegebenen Wert ermittelt und der Resonanzwandler 6 so gesteuert werden, dass die ermittelte Abweichung verringert wird.
  • Die Steuereinrichtung 8 kann als ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Controller, ein Mikrocontroller oder eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC, "Application Specific Integrated Circuit") oder eine Kombination der genannten Einheiten ausgestaltet sein.
  • Das Invertieren des Schaltsignals bzw. der Schalter 34 kann entfallen, wenn die Zweige des Brückengleichrichters der Messschaltung 7 jeweils Transistoren mit unterschiedlichen Polarität aufweisen, wie zum Beispiel NPN-Transistoren für die Schalter 30, 31 und PNP-Transistoren für die Schalter 32, 33. Zudem oder alternativ kann ein Mittelpunkt-Zweiweg-Gleichrichter mit zwei Schaltern verwendet werden.
  • Fig. 6 zeigt ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem der oben im Detail beschriebene Ablauf noch einmal mit seinen wesentlichen Punkten dargestellt ist.

Claims (10)

  1. Betriebsgerät (1) zum Betreiben von Leuchtmitteln (4), aufweisend:
    einen Resonanzwandler (6) zum Bereitstellen einer Spannung für den Betrieb des Leuchtmittels (4) mit einer Halbbrückenschaltung, einem mit der Halbbrückenschaltung gekoppelten Resonanzkreis (13, 16, 17) und einem mit dem Resonanzkreis (13, 16, 17) gekoppelten Übertrager (13, 14),
    eine Messschaltung (7) zum Erfassen des von dem Resonanzwandler (6) an das Leuchtmittel (4) abgegebenen Stroms, und
    eine Steuereinrichtung (8) zum Steuern des Resonanzwandlers (6) auf der Grundlage des erfassten Stroms,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Messschaltung (7) einen Transformator (25..27) und einen Gleichrichter (28) mit zumindest einem steuerbaren Schalter (30..33) aufweist, wobei
    zumindest eine Primärwicklung (25, 26) des Transformators (25..27) den von der Sekundärwicklung (14) des Übertragers (13, 14) abgegebenen Strom erfasst,
    der Gleichrichter (28) den von der Sekundärwicklung (27) des Transformators (25..27) abgegebenen Strom gleichrichtet, und
    der steuerbare Schalter (30..33) auf der Grundlage von einem zwischen den zwei Schaltern (18, 19) der Halbbrückenschaltung erfassten Signal angesteuert wird.
  2. Betriebsgerät (1) nach Anspruch 1, aufweisend
    einen mit der Sekundärwicklung (13) des Übertragers (13, 14) verbundenen Brückengleicher (20..23), wobei
    der Transformator (25..27) mit dem Brückengleicher (20..23) verbunden ist und eine Primärwicklung (25) zum Erfassen des in den Brückengleichrichter (20..23) fließenden positiven Stroms und eine Primärwicklung (26) zum Erfassen des in den Brückengleicher (20..23) fließenden negativen Stroms aufweist.
  3. Betriebsgerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei
    der Gleichrichter (28) der Messschaltung (7) ein Brückengleichrichter mit vier steuerbaren Schaltern (30..33) ist.
  4. Betriebsgerät (1) nach Anspruch 3, wobei
    die Messschaltung (7) einen Komparator (29, R1..R3) aufweist, der dazu ausgebildet ist, das erfasste Signal mit einer vorgegebenen Spannung zu vergleichen und ein Einschaltsignal an die Schalter eines Zweigs des Brückengleichrichters auszugeben, wenn das erfasste Signal oberhalb der vorgegebenen Spannung liegt, und ein Einschaltsignal an die Schalter des anderen Zweigs des Brückengleichrichters auszugeben, wenn das erfasste Signal unterhalb der vorgegebenen Spannung liegt.
  5. Betriebsgerät (1) nach Anspruch 4, wobei
    die Schalter des einen Zweigs des Brückengleichrichters PNP-Transistoren sind und die Schalter des anderen Zweigs des Brückengleichrichters NPN-Transistoren.
  6. Betriebsgerät (1) nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei
    der Resonanzwandler (6) ein LLC-Resonanzwandler ist.
  7. Verfahren zum Steuern eines einen Resonanzwandler (6) und einen Übertrager (13, 14) aufweisenden Betriebsgeräts (1) zum Betreiben von Leuchtmitteln (4), mit den Schritten:
    Ansteuern des Resonanzwandlers (6) zum Bereitstellen einer Spannung für den Betrieb des Leuchtmittels (4), wobei der Resonanzwandler (6) eine Halbbrückenschaltung, einen mit der Halbbrückenschaltung gekoppelten Resonanzkreis (13, 16, 17) und einen mit dem Resonanzkreis (13, 16, 17) gekoppelten Übertrager (13, 14) aufweist,
    Erfassen des von dem Resonanzwandler (6) an das Leuchtmittel (4) abgegebenen Stroms, und
    Steuern des Resonanzwandlers (6) auf der Grundlage des erfassten Stroms,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Erfassung mittels einem Transformator (25..27) und einen Gleichrichter (28) mit zumindest einem steuerbaren Schalter (30..33) erfolgt und folgende Schritte aufweist:
    - Erfassen des von der Sekundärwicklung (14) des Übertragers (13, 14) abgegebenen Stroms mittels zumindest einer Primärwicklung eines Transformators (25..27), und
    - Gleichrichten des von der Sekundärwicklung (27) des Transformators (25..27) abgegebenen Stroms mittels dem Gleichrichter (28), wobei der steuerbare Schalter (30..33) auf der Grundlage von einem zwischen den zwei Schaltern (18, 19) der Halbbrückenschaltung erfassten Signal angesteuert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei
    ein Brückengleicher (20..23) mit der Sekundärwicklung des Übertragers (13, 14) verbundenen ist und der durch den Brückengleichrichter fließende positive Strom mittels einer ersten Primärwicklung (25) des Transformators (25..27) erfasst wird und der durch den Brückengleicher (20..23) fließende negative Strom mittels einer zweiten Primärwicklung (26) des Transformators (25..27) erfasst wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei
    das Gleichrichten des von der Sekundärwicklung (27) des Transformators (25..27) abgegebenen Stroms mittels einem Brückengleichrichter mit vier steuerbaren Schaltern erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei
    das erfasste Signal mit einer vorgegebenen Spannung verglichen wird und ein Einschaltsignal an die Schalter eines Zweigs des Brückengleichrichters ausgegeben wird, wenn das erfasste Signal oberhalb der vorgegebenen Spannung liegt, bzw. ein Einschaltsignal an die Schalter des anderen Zweigs des Brückengleichrichters ausgegeben wird, wenn das erfasste Signal unterhalb der vorgegebenen Spannung liegt.
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