NL2001528C2 - Werkwijze, inrichting en stuursignaal voor het regelen van een door een elektrische energieomzetter aan een belasting afgegeven gewenst gemiddeld vermogen gedurende een tijdinterval. - Google Patents

Description

Werkwijze, inrichting en stuursignaal voor het regelen van een door een elektrische energieomzetter aan een belasting afgegeven gewenst gemiddeld vermogen gedurende een tijdinterval 5 De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het regelen van een door een elektrische energieomzetter aan een belasting afgegeven gewenst gemiddeld vermogen gedurende een tijdinterval, en een elektrische energieomzetter ingericht voor het uitvoeren van deze werkwijze.

10 Elektrische energieomzetters kunnen worden toegepast voor het regelen van de energieoverdracht tussen een elektrische voeding en een belasting. Zij dienen daarbij voor het aanpassen van de (orde)grootte van de elektrische spanning of de elektrische stroomsterkte van de voeding aan de belasting, of als fïjnregeling voor het (al dan niet continu) kunnen regelen van het aan de belasting overgedragen elektrisch vermogen.

15 Dergelijke elektrische energieomzetters zijn doorgaans voorzien van elektrische schakelelementen, die een energieoverdracht op basis van een bepaald schakelpatroon vrijgeven danwel blokkeren. De hoeveelheid overgedragen energie is daarbij regelbaar door het schakelpatroon van de elektrische schakelelementen, en in het bijzonder door de relatieve “aan” en “uit” tijd van het schakelelement te variëren. Elektrische 20 energieomzetters met schakelende elementen zijn vanwege hun geringe interne energieverliezen verkiesbaar boven lineaire energieomzetters, zoals energieomzetters die gebruik maken van weerstanden voor het reduceren van de spanning.

Elektrische energieomzetters met schakelende elementen worden bijvoorbeeld gebruikt 25 voor het aansturen van LED’s, in toepassingen waarbij de lichtsterkte van de LED continu en nauwkeurig geregeld (gedimd) dient te worden, zoals bijvoorbeeld bij lichtarmaturen voor gevels, videowalls, podiumverlichting en kleurmengings-toepassingen. In dit laatste geval wordt een bepaalde kleur licht opgewekt door de onderlinge verhouding van meerdere basiskleuren, bijvoorbeeld rood, groen, geel, 30 blauw en wit, nauwkeurig te bepalen.

De LED’s in bovengenoemde toepassingen vereisen ten opzichte van zogenaamde “signaalLEDS”, die met enkele milliamperes gevoed kunnen worden, een relatief hoge stroom, die kan oplopen tot ongeveer 0,5 A wanneer de LED op volle sterkte brandt.

2

Deze stroom wordt volgens de stand van de techniek door middel van een schakelende elektrische energieomzetter, bijvoorbeeld een zogenaamde buck-converter, op basis van een voedingsspanning opgewekt. Dergelijkc elektrische energieomzetters worden gekenmerkt door de aanwezigheid van een inductiviteit, die ervoor zorgt dat de stroom 5 in de energieomzetter rond een voorafbepaalde gemiddelde waarde gehouden wordt, welke bijvoorbeeld de maximaal toegestane LED-stroom betreft. Een combinatie van een LED met een schakelende elektrische energieomzetter voor het opwekken van de LED-stroom op basis van een elektrische spanning wordt als standaardcomponent aangeboden en toegepast.

10

Voor het (fijn-)regelen of dimmen van de door een dergelijke component afgegeven lichtsterkte wordt daarbij een tweede schakelende elektrische energieomzetter toegepast, die ervoor zorgt dat de door de eerste elektrische energieomzetter opgewekte stroom afwisselend door de LED of door een ander deel van het elektrische circuit 15 gevoerd wordt. De relatieve tijd dat de stroom door de LED gevoerd wordt is daarbij maatgevend voor de door de LED afgegeven lichtsterkte. De tweede elektrische energieomzetter kan een schakelaar omvatten die parallel aan de LED opgesteld wordt om de LED periodiek mee kort te sluiten en deze aldus te doven, of die in serie met de LED opgenomen wordt, om de stroom door de LED te onderbreken, waarbij er voor 20 deze stroom een vrijloopcircuit wordt voorzien.

Deze bekende configuraties hebben echter een belangrijk nadeel. De tweede schakelende elektrische energieomzetter, welke dient voor het bepalen van de door de LED afgegeven lichtsterkte, schakelt een reeds door de eerste schakelende elektrische 25 energieomzetter geschakeld signaal. Daarbij zijn de schakclpatroncn van de eerste en tweede schakelende elektrische energieomzetter vaak niet synchroon, onder andere omdat de eerste elektrische energieomzetter een met de LED geïntegreerde component is, waardoor het schakelsignaal slechts intern in deze component beschikbaar is.

30 De tweede schakelende elektrische energieomzetter regelt de lichtsterkte van de LED doorgaans door middel van pulsbrecdtemodulatie. Hierbij wordt de LED telkens een gedeelte van een voorafbepaalde periode ingeschakeld, en het resterende gedeelte van deze periode uitgeschakeld. Hoe lager de gewenste lichtopbrengst van dc LED, hoe korter het gedeelte van dc voorafbepaal dc periode dat de LED wordt ingeschakeld.

3

Omdat de schakelpatronen van de eerste en tweede schakelende elektrische energieomzetter niet synchroon zijn, verschilt de vorm van de stroom die tijdens de periode dat de LED ingeschakeld is door de LED stroomt per keer dat deze ingeschakeld is, omdat het moment van inschakelen dan weer eens met een opgaande 5 flank van de stroom, dan weer eens met een neergaande flank samenvalt. Door dit interferentieverschijnsel van de beide geschakelde signalen is de waargenomen lichtsterkte van de LED niet continu, maar “wakkert” de LED als het ware bij zeer korte inschakeltijden. Dit effect is in het bijzonder nadelig wanneer de LED deel uitmaakt van bijvoorbeeld een videowall of een podiumverlichting in toepassingen die gefilmd 10 worden, zoals showbizz-toepassingen welke op televisie worden uitgezonden, omdat het wakkerende signaal vervolgens ook nog eens voor interferentieverschijnselen met de beeldsnelheidsnelheid van de filmbeelden zorgt. Wanneer de zeer korte inschakeltijden vermeden worden om juist dit wakkeren te voorkomen, is de lichtsterkte van de LED bijgevolg over een minder breed gebied te regelen, hetgeen eveneens nadelig is.

15

Het is daarom een doel van de onderhavige uitvinding om een werkwijze en inrichting te verschaffen voor het aansturen van een LED welke de bovengenoemde nadelen niet of althans minder kent.

20 De onderhavige uitvinding verschaft daartoe een werkwijze volgens conclusie 1, een inrichting volgens conclusie 9 en een stuursignaal volgens conclusie 15.

De werkwijze volgens de onderhavige uitvinding omvat de stappen van het bepalen van het gewenste gemiddelde vermogen gedurende een tijdinterval als gedeelte van een 25 maximaal afgeefbaar vermogen door de elektrische energieomzetter, het verdelen van het tijdinterval in N gelijke subintervallen, het bepalen van een met de fractie evenredige eerste hoeveelheid van M subintervallen, het gedurende ten minste een fractie van de duur van elk van M aaneengesloten subintervallen sluiten van een elektronisch schakelelement van de elektrische energieomzetter en het daaropvolgend 30 gedurende N-M aansluitende subintervallen tweede reeks subintervallen geopend houden van het elektronische schakelelement van de elektrische energieomzetter.

Binnen een voor het toepassingsgebied gunstig gekozen tijdinterval, ook wel aangeduid met “refresh-rate”, is het aantal keren M dat een elektronisch schakelelement van de 4 elektrische energieomzetter gesloten wordt (en er aldus een puls opgewekt wordt) maatgevend voor het aan een belasting afgegeven vermogen, bijvoorbeeld de door een LED afgegeven lichtsterkte. In een praktisch voorbeeld is bijvoorbeeld een refresh-rate van een video-wall of podiumverlichting gewenst van 1 kHz, zodat de lengte van het 5 tijdinterval 1 ms betreft. Daarbij kan er gekozen worden voor 2500 subintervallen per tijdinterval.

Bij voorkeur is de duur van het sluiten van het elektronische schakelelement, en dus van de pulsen, daartoe binnen ten minste M-l intervallen gelijk. De duur van het Me interval 10 dient daarbij voor het verder fijnregclen van de overgedragen hoeveelheid energie, waardoor de resolutie van de omzetter verder verhoogd kan worden. Onder resolutie wordt hier het aantal waarden waarop de energieovcrdracht geregeld kan worden, uitgedrukt als fractie van de maximale energieoverdracht.

15 Verder is het wenselijk dat een duur van het sluiten van het elektrische schakelelement binnen ten minste één subinterval, maar bij voorkeur bij alle subintervallen korter is dan de duur van het subintcrval. Bijvoorbeeld wordt het schakelende element één derde van de tijd van het subinterval gesloten, en twee derden van de tijd van het subinterval geopend. Hierdoor kan de stroom door de belasting, wanneer deze een inductiviteit 20 omvat, beheerst worden.

Gunstige resultaten kunnen verkregen worden wanneer het interval een lengte heeft tussen 100 en 1000 ns, bij voorkeur 400 ns.

25 Een daarbij geschikt gebleken aantal subintervallen N is tussen de 1000 en 50000 gelegen, en is bij voorkeur 2500.

Met deze schakelfrequenties en intervallengten worden optisch zeer goede resultaten bereikt bij het aansturen van een LED, waarbij er geen wakkeren van de LED wordt 30 waargenomen, en er tevens geen interferentieverschijnselen optreden wanneer de LED, tezamen met op soortgelijke wijze aangestuurde LED’s opgenomen in een video-wall of podiumverlichting wordt gefilmd en op televisie wordt uitgezonden.

5

De M subintervallen kunnen daarbij zowel aan het begin van een tijdinterval als aan het eind van een tijdinterval plaatsvinden. In het hiervoor beschreven geval waarbij de puls afgegeven gedurende het Me interval korter is dan de pulsen in de overige M-l intervallen kan deze Me puls als eerste, als laatste of op enige andere plaats binnen de 5 reeks van M pulsen vallen.

De energieoverdracht kan nog betrouwbaarder gemaakt worden wanneer er een terugkoppeling van de stroom door de belasting plaatsvindt. Bij een gegeven voedingsspanning van de belasting die geschakeld wordt door de energieomzetter, is de 10 stroom door de belasting maatgevend voor de hoeveelheid overgedragen energie. Daarnaast kan deze stroom eenvoudig en zonder de energieoverdracht wezenlijk te beïnvloeden worden gemeten.

In een praktische uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding omvat een elektrische 15 energieomzetter voor het aan een belasting afgeven van een gewenst gemiddeld vermogen gedurende een tijdinterval, een elektrische voedingsspanning, een elektronisch schakelelement, en een regelcircuit voor het besturen van het elektronisch schakelelement dat is ingericht voor het volgens de hiervoor beschreven werkwijze besturen van het elektronisch schakelelement. Dit schakelelement kan een op zich 20 bekend schakelelement zijn, zoals een field effect transistor (FET). Het regelcircuit voor het aansturen van het schakelelement kan zoals hierboven reeds genoemd bijvoorbeeld gevormd worden door een microprocessor, die is ingericht voor het uitvoeren van de hierboven beschreven werkwijze.

25 De belasting omvat daarbij bijvoorbeeld een LED, welke in serie met het elektronische schakelende element en een inductiviteit parallel aan de elektrische voedingsspanning is geschakeld, en waarbij er aan de serieschakeling van de LED en de inductiviteit een vrijloopdiode is geplaatst, zodanig dat de kathode van de LED direct verbonden is met de anode van de vrijloopdiode, of dat de anode van de led direct verbonden is met de 30 kathode van de vrijloopdiode. Onder direct verbonden wordt hier verstaan: in elektrisch geleidende verbinding staand, zonder tussenkomst van een verdere elektrische component.

6

De scricschakeling van de inductiviteit, de LED en de schakelaar kan verder een tussen de schakelaar en de bron opgenomen weerstand omvatten, voor het opwekken van een aan de stroom door de LED evenredige mcetspanning, welke naar de elektrische omzetter kan worden teruggekoppeld voor het op basis van dit teruggekoppeldc signaal 5 aanpassen van de instellingen van het rcgclcircuit.

Het schakelende element kan daarbij worden ingeschakcld op basis van een door het rcgelcircuit afgegeven eerste flank van een puls, en worden uitgeschakeld wanneer de meetspanning een voorafbepaalde drempelspanning bereikt.

10

Niet alleen wordt hierdoor een eenvoudige constructie bereikt, maar ook wordt hierdoor de reproduceerbaarheid van de door de LED opgewekte lichtsterkte gedurende een aantal intervallen nog verder gewaarborgd, en is de LED hierdoor tevens beveiligd tegen een te grote stroom.

15

Om verder een ongewenst verband tussen de lichtsterkte en de temperatuur van de LED, welke temperatuur bij gebruik van dc inrichting redelijk kan oplopen, tegen te gaan, kan er parallel aan de LED een weerstand worden opgenomen. Dc temperatuurafhankelijke spanning van de LED leidt tot een stroom door de parallclweerstand met dezelfde 20 temperatuurafhankelijkheid, waardoor dc stroom door de LED wordt gecompenseerd bij een gelijkblijvende totale stroom.

De onderhavige uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren, waarin: 25 - Figuur 1 een schematische weergave toont van een elektrische energicomzetter en een daaraan gekoppelde belasting volgens de onderhavige uitvinding; - Figuur 2 een grafiek toont van een aantal signaalvormen binnen een elektrische energicomzetter volgens de stand van de techniek; en - Figuur 3 een grafiek toont van een aantal signaalvormen binnen de elektrische 30 energicomzetter volgens de onderhavige uitvinding.

Figuur 1 toont een elektrisch schema van een elektrische energicomzetter 1 volgens de onderhavige uitvinding, en een daaraan gekoppelde belasting 2, alsook een voedingsspanningsbron 3. Dc elektrische energicomzetter 1 omvat een schakelend 7 element 5, zoals een FET of een GTO, en een microprocessor 4 voor het opwekken van een besturingssignaal dat via een besturingslijn 11 naar het schakelende element 5 wordt geleid. De belasting omvat een LED 6, in serie met een inductiviteit 7 en daaraan parallel geschakeld een diode 8 welke dient als vrijloopdiode voor de stroom door 5 inductiviteit 7, op momenten dat het schakelende element 9 open, dat wil zeggen in een niet geleidende stand staat. Tussen de voedingsspanningsbron 3 en het schakelende element 5 is een weerstand 9 opgenomen, voor het opwekken van een aan de stroom door de LED 6 evenredige spanning, welke via terugkoppellijn 10 wordt teruggekoppeld naar de microprocessor 4, voor het op basis van deze gemeten spanning 10 aanpassen van de inschakel verhouding van de pulstrein.

Figuur 2 toont een grafiek met een aantal signaalvormen die optreden in een elektrische energieomzetter volgens de stand van de techniek. Figuur 2a toont daarbij een pulsbreedte-gemoduleerd signaal, dat wordt opgewekt door een microprocessor van een 15 tweede elektrische energieomzetter voor het bedienen van een schakelend element dat de spanning over de LED kan kortsluiten of de stroom door de LED kan omleiden, met het oogmerk om de door de LED opgewekte lichtsterkte te dimmen. Per periodetijd 12 wordt er één puls afgegeven, waarbij de duur van de puls maatgevend is voor de gewenste lichtsterkte van de LED 6. Figuur 2b toont de stroom die door de eerste 20 schakelende elektrische energieomzetter wordt opgewekt, en waarin als gevolg van het schakelen een zogenaamde rimpel aanwezig is. Onder een rimpel wordt hier een periodiek optredende afwijking van het gemiddelde signaal bedoeld. Deze rimpel heeft daarbij een herhalingsperiode die geen geheel veelvoud is van de periode tussen de door de pulsbreedtemodulator opgewekte pulsen. De beide pulsreeksen lopen daardoor niet 25 synchroon, waardoor het spanningsverloop over de belasting op de momenten dat het schakelende element van de tweede elektrische energieomzetter gesloten is telkens verschilt, zoals is weergegeven in figuur 2c. Dit interferentie-effect is ongewenst, en leidt tot “wakkeren” van de door de LED afgegeven lichtsterkte.

30 Figuur 3 toont een grafiek met een aantal signaalvormen die optreden in de schakeling uit figuur 1, wanneer deze wordt aangestuurd volgens een werkwijze volgens de onderhavige uitvinding. Figuur 3a toont daarbij een stuursignaal voor het schakelende element 5, opgewekt door de microprocessor 4. Het stuursignaal omvat gedurende een periodetijd 12 een pulsreeks, waarvan het aantal pulsen maatgevend is voor de gewenste 8 lichtsterkte van de LED 6. Figuur 3b toont de stroom door de LED 6 wanneer deze wordt aangestuurd volgens de onderhavige uitvinding. De stroomsterktc begint te stijgen wanneer er een stijgende flank van de pulsrceks aan het schakelende clement wordt toegevoerd, en wordt hardwarematig gestopt op het moment dat de stroomsterkte 5 een voora(bepaalde maximale waarde 14 bereikt heeft. Deze w'aarde correspondeert bijvoorbeeld met de waarde waarop de LED net niet doorbrandt. Op deze manier zorgt de terugkoppeling niet alleen voor een volledig identieke lichtsterkte tijdens achtereenvolgende intervallen, maar vormt deze tegelijkertijd een beveiliging tegen te hoge stromen.

10

Naast de getoonde uitvoeringsvomicn met LED aansturingen zijn de werkwijze en inrichting volgens de onderhavige uitvinding voor diverse andere doeleinden toepasbaar, zoals het aansturen van andere elektrische belastingen zoals gelijkstroommotoren. Hierbij wordt erop gewezen tevens de uitvinding eveneens van 15 toepassing is op omzetters van andere aard van de hierboven beschreven omzetter van het ‘Buck’- type, zoals “Floating Buck’ - omzetters, ‘Boost”-omzetters en andere schakelende omzetters.

Claims (15)

1. Werkwijze voor het regelen van een door een elektrische energieomzetter aan een belasting afgegeven gewenst gemiddeld vermogen gedurende een tijdinterval, 5 omvattende: - het bepalen van het gewenste gemiddelde vermogen als gedeelte van een maximaal afgeefbaar vermogen door de elektrische energieomzetter; het verdelen van het tijdinterval in N gelijke subintervallen; het bepalen van een met de fractie evenredige eerste hoeveelheid van M 10 subintervallen; gekenmerkt door - het gedurende ten minste een fractie van de duur van elk van M aaneengesloten subintervallen sluiten van een elektronisch schakelelement van de elektrische energieomzetter; 15. het daaropvolgend gedurende N-M aansluitende subintervallen tweede reeks subintervallen geopend houden van het elektronische schakelelement van de elektrische energieomzetter.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de de duur van het sluiten van het 20 elektronische schakelelement binnen ten minste M-l intervallen gelijk is.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij een duur van het sluiten van het elektrische schakelelement binnen ten minste één subinterval korter is dan de duur van het subinterval. 25

4. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij het interval een lengte heeft tussen 100 en 1000 ns, bij voorkeur 400 ns.

5. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij N tussen de 1000 en 30 50000 ligt, en bij voorkeur 2500 is.

6. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de M subintervallen aan het begin van een tijdinterval plaatsvinden.

7. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de M subintervallcn aan het eind van een tijdinterval plaatsvinden;.

8. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij er een terugkoppeling 5 van de stroom door de belasting plaatsvindt.

9. Elektrische energieomzetter voor het aan een belasting afgeven van een gewenst gemiddeld vermogen gedurende een tijdinterval, omvattende: - een elektrische voedingsspanning; 10. een elektronisch schakelelement; een regelcircuit voor het besturen van het elektronisch schakelelement; met het kenmerk dat het regelcircuit is ingericht voor het volgens de werkwijze van één van de voorgaande conclusies besturen van het elektronisch schakelelement. 15

10. Elektrische energieomzetter volgens conclusie 9, waarbij de belasting een LED omvat, welke in serie met het electronische schakelende element en een inductiviteit parallel aan de elektrische voedingsspanning is geschakeld, en waarbij er aan de sericschakeling van de LED en de inductiviteit een vrijloopdiode is geplaatst, zodanig 20 dat de kathode van de LED direct verbonden is met de anode van de vrijloopdiode, of dat de anode van de led direct verbonden is met de kathode van de vrijloopdiode.

11. Elektrische omzetter volgens conclusie 9 of 10, waarbij de sericschakeling van de inductiviteit, de LED en de schakelaar verder een tussen de schakelaar en de bron 25 opgenomen weerstand omvat, voor het opwekken van een aan de stroom door de LED evenredige meetspanning.

12. Elektrische omzetter volgens conclusie 11, waarbij de meetspanning naar de elektrische omzetter wordt teruggckoppeld. 30

13. Elektrische omzetter volgens conclusie 12, waarbij het schakelende element wordt ingeschakeld op basis van een door het regelcircuit afgegeven eerste flank van een puls, en het schakelende element wordt uitgcschakeld wanneer de meetspanning een voorafbcpaaldc drcmpelspanning bereikt.

14. Elektrische omzetter volgens één van de conclusies 10-13, waarbij er parallel aan de LED een weerstand is opgenomen.

15. Stuursignaal voor het gedurende elk van M aaneengesloten subintervallen sluiten van een elektronisch schakelelement van de elektrische energieomzetter, en het het daaropvolgend gedurende N-M aansluitende subintervallen tweede reeks subintervallen geopend houden van het elektronische schakelelement.