WO2001057997A1 - Schaltungsanordnung zum betreiben von leuchtdioden - Google Patents

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WO2001057997A1
WO2001057997A1 PCT/DE2001/000381 DE0100381W WO0157997A1 WO 2001057997 A1 WO2001057997 A1 WO 2001057997A1 DE 0100381 W DE0100381 W DE 0100381W WO 0157997 A1 WO0157997 A1 WO 0157997A1
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Günther Bebenroth
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Bebenroth Guenther
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    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for operating light-emitting diodes.
  • Such generic circuit arrangements are known from DE 199 30 343.9 by the same applicant. These have a pulse generator or clock generator, a means for coupling a voltage source e and a means for coupling a luminous element or a light-emitting diode, a pulse sequence having a frequency of more than 10 Hz being able to be generated by means of the pulse generator or clock generator.
  • the invention is based on the object of developing a generic circuit arrangement for operating light-emitting diodes in such a way that an accurate setting of the forward voltage of the light-emitting diodes is possible, in particular energy sources should be used as far as possible without causing a deep discharge of, for example, primary elements. It is also an object of the present invention to provide a circuit arrangement which is extremely stable against mechanical influences. It is also an object of the present invention to provide a circuit arrangement for operating light-emitting diodes which has a high degree of efficiency.
  • a circuit arrangement for operating light-emitting diodes with a switching regulator, a means for coupling a voltage source and a means for coupling a consumer is further developed in that the switching regulator comprises a transistor, a first clock generator and two coils, the first coil being connected to the transistor as a step-down converter and the second coil being connected to the transistor as a step-up converter.
  • the consumer is preferably at least one light-emitting diode.
  • a resistor is preferably connected between the base of the transistor and ground, the pulse width of the first clock generator being controlled and / or regulated by means of the voltage which drops across the resistor, it is possible to limit the coil current, as a result of which the efficiency is high .
  • the coil current which is reflected in the resistance as a voltage drop, is dimensioned so that the coil just reaches saturation. Any further increase in current would not contribute to the output power, but would only heat the coil itself, reducing the efficiency.
  • the pulse width of the clock generator is reduced by the specified wiring and thus the pulse in the next clock. Coil current somewhat reduced again.
  • the transistor is preferably a field effect transistor, as a result of which the efficiency is increased further, since this has a lower internal resistance than a conventional transistor.
  • a clock generator is preferably used, which is characterized in that both the output voltage and the current flowing through the coil can be used for regulation. An efficiency of approximately 90% can be achieved through these preferred embodiments according to the invention.
  • a second clock generator is preferably connected behind the switching regulator and before a second transistor, which switches the consumer on and off. These measures can save a relatively large amount of energy or power.
  • a clock of approximately 1 kHz is preferably used.
  • the second transistor is preferably a field effect transistor, as a result of which the efficiency of the circuit arrangement is increased.
  • the volume resistance of a field-effect transistor is approximately 1 mn, so that no or only a very slight voltage drop across the field-effect transistor can be determined, as a result of which essentially no loss of energy can be observed across it.
  • the clock of the second clock generator preferably has a frequency that is greater than the temporal resolution of the human eye. For example, this is preferably 1 kHz. This measure uses the integration effect of the eye to save energy.
  • the object is further achieved by a circuit arrangement for operating light-emitting diodes with a first clock generator and a second clock generator, a means for coupling a voltage source e and a means for coupling a consumer, a step-up converter and / or between the first clock generator and the second clock generator a down converter switched i st.
  • the forward voltage can be set very precisely, in particular deep discharge of batteries, for example, can be avoided.
  • the consumer is preferably at least one light-emitting diode.
  • a second transistor is preferably arranged between the second clock generator and the means for coupling a consumer, it is particularly easy to operate downstream LEDs. If the second transistor preferably has a field effect transistor is, little voltage drops across the transistor, so that little energy loss is recorded, so that the efficiency is high. If the second transistor can preferably be switched at a frequency that is greater than the temporal resolution of the human eye, a further energy saving is possible. For example, a frequency of 1 kHz is preferably used here. With regard to the switchability of the second transistor with a desired frequency, reference is made in particular to DE 199 30 343.9 by the same applicant.
  • a luminous element preferably has a circuit arrangement according to the invention or preferred.
  • the luminous body is preferably a flashlight.
  • the luminous element preferably comprises at least two light-emitting diodes which are connected in parallel. If two chains of light-emitting diodes connected in series, which are connected in parallel, are preferably provided, particularly bright light-emitting bodies can be realized.
  • the light-emitting diodes are preferably operated with a forward voltage which is higher than that specified by the manufacturer for continuous operation of the light-emitting diodes. If white light-emitting diodes are preferably used, a forward voltage is preferably used which is somewhat below that which causes the light of the light-emitting diode to be colored blue.
  • the luminous element is preferably a lamp, in particular a flashlight. Furthermore, the luminous element is preferably a display panel, in particular a traffic display panel.
  • the preferred timing of the light emitting diodes makes it possible to use a higher forward voltage or one operate higher operating current than specified by the manufacturer, without losing their brightness after a short period of operation.
  • the invention is further achieved by a circuit arrangement for operating light-emitting diodes with a means for coupling a voltage source, a means for coupling at least one light-emitting diode and with at least one clock generator, the circuit arrangement being arranged on at least one circuit board, the circuit board in particular with the at least one clock generator is potted with a potting compound.
  • the circuit arrangement is essentially almost indestructible. In particular, this can be accelerated up to 1,000 g. Such a circuit arrangement will preferably be used in flashlights.
  • the circuit arrangement is preferably arranged on two spaced-apart boards and the casting compound is arranged in the space between the boards. This measure in particular avoids problems of magnetic fields caused by coils, which lead to induction in other components.
  • the means for coupling a voltage source preferably comprises contacts which are arranged on a further circuit board, inexpensive circuit boards to be fitted on one side can be used.
  • the space between the further circuit board and the at least one circuit board is preferably filled with potting compound, so that the mechanical strength is further increased.
  • the at least one light-emitting diode is preferably attached to a holder and the space between the Bracket and the adjacent board filled with potting compound. This increases the mechanical resilience even further.
  • Fig. 1 shows an inventive and preferred embodiment of a circuit arrangement
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of the arrangement of the circuit arrangement for insertion into a flashlight.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a preferred embodiment of the invention.
  • a voltage Vcc is applied to the battery terminal 10 with the ground GND.
  • an electrolytic capacitor C5 is connected between ground GND and an input of the clock generator 13, which is in particular Maxim 608 or a Maxim 886 can be arranged.
  • the electrolytic capacitor C5 serves to actually reduce the internal resistance of the battery.
  • C5 is approximately 22 ⁇ F.
  • the capacitor C1 has a size of 100 nF.
  • a voltage divider is arranged behind the clock generator 13 through the resistors R1 and R3 and the capacitor C4 in order to adjust the pulse width of the clock generator and also to achieve the desired forward voltage of the light-emitting diodes.
  • Rl is approximately 51 kn
  • R3 is approximately 62 kn
  • C4 is 2.2 nF.
  • Coil 11 is provided for downward conversion (100 ⁇ H) and coil 12 (100 ⁇ H) is connected in series with ground for upward conversion.
  • the step-down converter is a coil in series with the operating voltage and the transistor Fl.
  • the diode Dl is, for example, a 1N5817.
  • the electrolytic capacitor C2 functions as a voltage source and has a size of approximately 22 ⁇ F.
  • the diode D2 (for example 1N5817) together with the electrolytic capacitor C3 (22 ⁇ F) serves to generate a direct voltage, the converted coil energy being stored in the electrolytic capacitor C3.
  • Resistor R2 which is, for example, 75 mn, serves to limit the current in the coils, so that the coil or coils are just saturating.
  • the clock generator is regulated by the voltage which drops across the resistor R2, so that the pulses are shortened or lengthened.
  • the coil energy stored in the capacitor C3 serves as a supply for a second clock generator 14 which, for example, provides a clock of 1 kHz.
  • the duty cycle of the second clock generator 14 is changed with the resistors R4, R5 and the diodes D3 and D4 connected to it.
  • Diodes D3 and D4 are components 1N5817, for example.
  • the resistors R4 and R5 are specified in this embodiment as 7 kn and 15 k ⁇ .
  • the downstream field-effect transistor F2 with diode D6 (NDC632) serves as a switch for the downstream light-emitting diodes, and due to the low volume resistance of the field-effect transistor of approximately 0.001 n, there is essentially no voltage drop.
  • Connected behind the resistors R6, R7 and R8 are the connections 15, 16 and 17 for the anodes of three light-emitting diodes, whereas the connection 18 is connected to the cathodes of the light-emitting diodes.
  • the advantage of the circuit shown here is that it works over a wide operating voltage range.
  • the output voltage is dimensioned so that it is exactly adapted to the required forward voltage of the light emitting diodes. In the case of GaN-based light-emitting diodes, this is approximately 3.5 V. At such a forward voltage, approximately 20 mA flow through the respective light-emitting diode. However, due to the clocked wiring, these can also be operated with a 4.1 V forward voltage, which means that short-term currents of 80 mA flow through the LEDs, which significantly increases the brightness.
  • the input voltage can be both below and above the output voltage.
  • the minimum input voltage is approximately 1 V, whereas the maximum voltage is 8 V.
  • the upper limit of the Maxim 608 is normally 16 V, but this is determined by the field effect transistor F1 and is limited to 8 V in this example.
  • the output voltage is limited to the desired size by the voltage divider of the resistors R1 and R3.
  • the coil Ll forms a step-up converter together with the transistor F1.
  • the transistor F1 is continuously switched by the clock generator 13.
  • the coil is placed in series with the input voltage so that the voltages can add up.
  • the voltage for the clock generator 13 is provided via the diode D1. This is smoothed by the capacitor C5 and at the same time reduces the internal resistance of the power supply.
  • the capacitor C2 and the coil 12 form a step-down converter in connection with the transistor F1, which is controlled by the clock generator 13.
  • the principle of the inverting converter is used, in which the coil 12 is connected to ground.
  • the supply takes place via the capacitor C2.
  • Fl When Fl is open, this is charged via the path coil 11 - capacitor C2 - coil 12.
  • the transistor T1 is closed, the positive pole of the capacitor is connected to ground.
  • the coil builds up an oppositely directed voltage, which over the Diode D2 is available as a positive output voltage and is stored in storage capacitor C3.
  • Diode D2 represents the second switch required for both the step-up and step-down converters.
  • the high efficiency is achieved in this embodiment in that the current through the coils is monitored using the resistor R2.
  • the coil current which is recorded as a voltage drop across the resistor R2, is dimensioned such that the coil just reaches saturation. Any further increase in current would not contribute to the output power, but would only heat the coil itself and thus reduce the efficiency. If the coil is saturated, the pulse width is reduced via the input CS of the clock generator and the coil current is thus somewhat reduced again in the next clock cycle.
  • the second clock generator 14 is, for example, part of an IC, such as the CD 4093, of which only one gate is required. This is a Schmitt trigger with an inverted output. This allows a clock generator to be set up with little effort.
  • capacitor C6 (1 nF) and a resistor for feedback between the input and output.
  • resistors R4 and R5 are used. These are decoupled via diodes D3 and D4.
  • the second field effect transistor F2 is used only as a switch for the light emitting diodes. In this way, a reduction in the total current or energy consumption is achieved, since the human eye has a kind of low-pass function and integrates the light impulses to form a total help pressure.
  • the clock generator with a frequency of at least 100 Hz to achieve flicker-free.
  • the resistors R7 and R8 are protective resistors which are connected in series with the light emitting diodes. These also compensate for the manufacturing-related tolerances in the forward voltage of the light-emitting diodes. In this way it is achieved that the light-emitting diodes shine essentially equally brightly.
  • Fig. 2 shows a sectional representation of the arrangement of the circuit, which is particularly preferably installed in flashlights.
  • Two light-emitting diodes 21 are shown, which are fastened to a housing 20.
  • the electrical leads to the light emitting diodes are represented by cables 22. These connect the light-emitting diodes to contacts on a circuit board 23, on which components 24 of the circuit arrangement are attached.
  • a second circuit board 23 is also shown, on which further components 24 of the circuit arrangement are attached.
  • the circuit arrangement is arranged separately in order to minimize interference in components caused by induced magnetic fields of the coils.
  • a further circuit board 23 is shown, which has contacts 26. A voltage is applied to these contacts 26.
  • the outer contact 26 is a ring and the inner contact 26 is a filled circle made of metal.
  • a potting compound 25 is introduced in the space between the boards.
  • This potting compound can be epoxy resin, polyester resin or a casting resin, such as the so-called Polyglass resin or an XOR crystal resin from the manufacturer Artidee.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden mit einem Schaltregler, einem Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquelle (10, 26), und einem Mittel zum Ankoppeln eines Verbrauchers (15, 16, 17, 18). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Schaltregler einen Transistor (F1), einen ersten Taktgenerator (13) und zwei Spulen (11, 12) umfaßt, wobei die erste Spule (11) mit dem Transistor (F1) als Abwärtswandler geschaltet ist und die zweite Spule (12) mit dem Transistor (F1) als Aufwärtswandler geschaltet ist.

Description

Schal ungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden.
Derartige gattungsgemäße Schaltungsanordnungen sind aus der DE 199 30 343.9 desselben Anmelders bekannt. Diese weisen einen Impulsgenerator bzw. Taktgenerator, ein Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquell e und ein Mittel zum Ankoppeln eines Leuchtkörpers bzw. einer Leuchtdiode auf, wobei mittels des Impulsgenerators bzw. Taktgenerators eine Impulsfolge generierbar ist, die eine Frequenz von mehr als 10 Hz aufweist.
Bei derartigen Schaltungsanordnungen zum Betreiben von Leuchtdioden ist eine relativ komplizierte Schaltungsanordnung nötig, um die gewünschte genaue Flußspannung einzustellen, zumal die Kennlinie von Leuchtdioden bei einer geringen Variation der Flußspannung zu einer gro- ßen Variation des durch die Leuchtdiode fließenden Stromes führt, was insbesondere bei einem zu hohen Strom bzw. bei einer zu hohen Flußspannung zu einer Beschädigung der Leuchtdioden und damit u.U. zu einer Beschädigung der Bauelemente der Schaltungsanordnung bei einem Durchbrennen bzw. einem Verringern des Widerstandes in der Leuchtdiode führen kann. Ferner kann es bei der gattungsgemäßen Schaltungsanordnung dazu kommen, daß Primärelemente bzw. Batterien zu stark entladen werden, so daß diese auslaufen können. Hierzu müssen bei herkömmlichen Schaltungsanordnungen weitere Bauelemente vorgesehen werden oder korrosionsbeständige Materialien im Bereich der Batterien, so daß es entweder nicht zu einem Auslaufen der Batterien kommt oder aber keine Schädigung des Leuchtkörpers bzw. beispielsweise einer Taschenlampe hervorgerufen wird.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden derart weiterzubilden, daß eine genaue Einstellung der Flußspannung der Leuchtdioden möglich ist, wobei insbesondere Energiequellen möglichst weitgehend ausgeschöpft werden sollen, ohne daß es zu einer Tiefentladung von beispielsweise Primärelementen kommt. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die äußerst stabil gegen mechanische Einflüsse ist. Es ist zudem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden anzugeben, die einen hohen Wirkungsgrad hat.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden mit einem Schaltregler, einem Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquell e und einem Mittel zum Ankoppeln eines Verbrauchers, die dadurch weitergebildet ist, daß der Schaltregler einen Transistor, einen ersten Taktgenerator und zwei Spulen umfaßt, wobei die erste Spule mit dem Transistor als Abwärtswandler geschaltet ist und die zweite Spule mit dem Transistor als Aufwärtswandler geschaltet ist.
Durch diese Maßnahme, bei der insbesondere sowohl ein Abwärtswandler als auch ein Aufwärtswandler mit einem Transistor realisiert ist, ist ein besserer Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung möglich. Ferner ist es möglich, eine gleichbleibende Spannung einzustellen. Bei Verwendung von weißen Leuchtdioden oder Lumineszenzdioden wird beispielsweise eine Spannung von 3,6 V eingestellt, wobei dann 20 mA durch die Leuchtdiode fließen. Vorzugsweise wird als Taktgenerator ein Maxim 608 oder 868 verwendet, der mit Eingangsspannungen von ca. 1 bis 16 V betrieben werden kann. Bei Spannungen von beispielsweise über 3,6 V der in diesem Beispiel gewünschten Flußspannung greift die Funktion des Abwärtswandlers. Bei niedrigeren Spannungen bis herunter zu 1 V greift die Funktion des Aufwärtswandlers. Unterhalb von 1 V ist der Taktgenerator nicht mehr gleichmäßig betreibbar, es kommt zu einem sichtbaren Blinken der Verbraucher, wodurch deutlich angezeigt wird, daß beispielsweise die Batterien nun vollständig entladen sind, allerdings noch nicht tiefentladen. Im Rahmen dieser Erfindung bedeutet Taktgenerator insbesondere auch Impu sgenerator.
Vorzugsweise ist der Verbraucher wenigstens eine Leuchtdiode. Wenn vorzugsweise ein Widerstand zwischen Basis des Transistors und Masse geschaltet ist, wobei mittels der Spannung, die über dem Widerstand abfällt, die Pulsbreite des ersten Taktgenerators gesteuert und/oder geregelt wird, ist es möglich, den Spulenstrom zu begrenzen, wodurch der Wirkungsgrad hoch ist. Der Spulen- ström, der sich an dem Widerstand als Spannungsabfall bemerkbar macht, wird so bemessen, daß die Spule gerade die Sättigung erreicht. Jede weitere Stromerhöhung würde nicht zur Ausgangsleistung beitragen, sondern nur die Spule selbst erwärmen, wodurch der Wirkungsgrad verringert wird. Bei Sättigung der Spulen wird durch die angegebene Beschaltung die Pulsbreite des Taktgenerators verringert und damit im nächsten Takt der. Spulenstrom wieder etwas reduziert.
Vorzugsweise ist der Transistor ein Feldeffekttransistor, wodurch der Wirkungsgrad weiter erhöht wird, da dieser einen geringeren Innenwiderstand hat als ein herkömmlicher Transistor. Vorzugsweise wird ein Taktgenerator verwendet, der sich dadurch auszeichnet, daß sowohl die Ausgangsspannung als auch der durch die Spule fließende Strom zur Regelung herangezogen werden kann. Durch diese erfindungsgemäßen und bevorzugten Ausführungsformen kann ein Wirkungsgrad von ungefähr 90 % erzielt werden.
Vorzugsweise ist ein zweiter Taktgenerator hinter dem Schaltregler und vor einem zweiten Transistor geschaltet, der den Verbraucher ein- und ausschaltet. Durch diese Maßnahmen kann relativ viel Energie bzw. Leistung eingespart werden. Vorzugsweise wird ein Takt von ungefähr 1 kHz verwendet. Vorzugsweise ist der zweite Transistor ein Feldeffekttransistor, wodurch der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung erhöht wird. Der Durchgangswiderstand eines Feldeffekttransistors liegt bei ungefähr 1 mn, so daß kein oder nur ein sehr geringer Spannungsabfall über dem Feldeffekttransistor festzustellen ist, wodurch im wesentlichen kein Energieverlust über diesem zu bemerken ist. Vorzugsweise weist der Takt des zweiten Taktgenerators eine Frequenz auf, die größer als das zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ist. Dieses ist beispielsweise vorzugsweise 1 kHz. Durch diese Maßnahme wird zum Energiesparen der Integrationseffekt des Auges ausgenutzt. Es wird diesbezüglich auf die Offenbarung der DE 199 30 343.9 desselben Anmelders Bezug genommen, bei der ausführlich die bevorzugte Taktung ausgeführt ist, so daß ein optimaler Energieverbrauch einstellbar ist. Insbesondere sind bevorzugterweise zwei Taktgeneratoren hier verwendbar, die zu einer Überlagerung zweier Takte führen.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden mit einem ersten Taktgenerator und einem zweiten Taktgenerator, einem Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquell e und einem Mittel zum Ankoppeln eines Verbrauchers gelöst, wobei zwischen dem ersten Taktgenerator und dem zweiten Taktgenerator ein Aufwärtswandler und/oder ein Abwärtswandler geschaltet i st.
Durch diese Maßnahme ist bei verhältnismäßig geringem Energieverbrauch und Erzielen einer gleichmäßigen Spannung ein hoher Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung möglich. Hierbei kann sehr exakt die Flußspannung eingestellt werden, wobei insbesondere eine Tiefentladung von beispielsweise Batterien vermieden werden kann.
Vorzugsweise ist der Verbraucher wenigstens eine Leuchtdiode. Wenn vorzugsweise zwischen dem zweiten Taktgenerator und dem Mittel zum Ankoppeln eines Verbrauchers ein zweiter Transistor angeordnet ist, ist ein Betreiben nachgeschalteter Leuchtdioden besonders einfach möglich. Wenn vorzugsweise der zweite Transistor ein Feldeffekt- transistor ist, fällt über dem Transistor wenig Spannung ab, so daß wenig Energieverlust zu verzeichnen ist, so daß der Wirkungsgrad hoch ist. Wenn vorzugsweise der zweite Transistor mit eine Frequenz schaltbar ist, die größer als das zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ist, ist eine weitere Energieeinsparung möglich. Hierbei wird beispielsweise vorzugsweise eine Frequenz von 1 kHz verwendet. Bezüglich der Schaltbar- keit des zweiten Transistors mit einer gewünschten Frequenz wird insbesondere auf die DE 199 30 343.9 desselben Anmelders verwiesen.
Vorzugsweise weist ein Leuchtkörper eine erfindungsgemäße bzw. bevorzugte Schaltungsanordnung auf. Der Leuchtkörper ist bevorzugterweise eine Taschenlampe. Vorzugsweise umfaßt der Leuchtkörper wenigstens zwei Leuchtdioden, die parallel geschaltet sind. Wenn vorzugsweise zwei Ketten von in Reihe geschalteten Leuchtdioden vorgesehen sind, die parallel geschaltet sind, können besonders helle Leuchtkörper realisiert werden.
Vorzugsweise werden die Leuchtdioden mit einer Flußspannung betrieben, die höher ist als die von dem Hersteller für kontinuierlichen Betrieb der Leuchtdioden angegebene. Bei bevorzugter Verwendung von weiß strahlenden Leuchtdioden wird vorzugsweise eine Flußspannung verwendet, die etwas unter derjenigen liegt, die eine bläuliche Einfärbung des Lichtes der Leuchtdiode hervorruft. Vorzugsweise ist der Leuchtkörper eine Lampe, insbesondere eine Taschenlampe. Ferner vorzugsweise ist der Leuchtkörper eine Anzeigetafel, insbesondere eine Verkehrsanzeigetafel .
Durch die bevorzugte Taktung der Leuchtdioden ist es möglich, diese mit einer höheren Flußspannung bzw. einem höheren Betriebsstrom zu betreiben als vom Hersteller angegeben, ohne daß diese nach kurzer Zeit des Betriebs deren Helligkeit einbüßen.
Die Erfindung wird ferner durch eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden mit einem Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquelle, einem Mittel zum Ankoppeln wenigstens einer Leuchtdiode und mit wenigstens einem Taktgenerator, wobei die Schaltungsanordnung auf wenigstens einer Platine angeordnet ist, gelöst, wobei die Platine insbesondere mit dem wenigstens einen Taktgenerator, mit einer Vergußmasse vergossen ist.
Durch diese Maßnahme ist die Schaltungsanordnung im wesentlichen fast unzerstörbar. Insbesondere kann diese bis 1.000 g beschleunigt werden. Vorzugsweise wird eine derartige Schaltungsanordnung in Taschenlampen Verwendung finden.
Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung auf zwei beabstandeten Platinen angeordnet und die Vergußmasse in dem Raum zwischen den Platinen angeordnet. Durch diese Maßnahme werden insbesondere Probleme von durch Spulen hervorgerufenen Magnetfeldern, die zu Induktionen in anderen Bauelementen führen, vermieden. Wenn vorzugsweise das Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquelle Kontakte umfaßt, die auf einer weiteren Platine angeordnet sind, können günstige einseitig zu bestückende Platinen Verwendung finden. Vorzugsweise ist der Raum zwischen der weiteren Platine und der wenigstens einen Platine mit Vergußmasse ausgefüllt, so daß die mechanische Belastbarkeit weiter erhöht wird.
Ferner vorzugsweise ist die wenigstens eine Leuchtdiode an einer Halterung angebracht und der Raum zwischen der Halterung und der benachbarten Platine mit Vergußmasse ausgefüllt. Hierdurch wird die mechanische Belastbarkeit noch weiter erhöht.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße und bevorzugte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung, und
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung der Schaltungsanordnung zum Einbringen in eine Taschenlampe.
In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Eine Spannung Vcc wird an die Batterieklemme 10 mit Masse GND angelegt. Um Störungen der angelegten Spannung zu verhindern und bei einer Taktung ein schnelles Bereitstellen von Strom zu ermöglichen, ist eine Elektrolytkondensator C5 zwischen Masse GND und einem Eingang des Taktgenerators 13, der insbesondere ein Maxim 608 oder ein Maxim 886 sein kann, angeordnet. Der Elektrolytkondensator C5 dient dazu, den Innenwiderstand der Batterie faktisch zu verringern. C5 hat ungefähr einen Wert von 22 μF. Der Kondensator Cl hat eine Größe von 100 nF. Hinter dem Taktgenerator 13 ist eine Spannungsteiler durch die Widerstände Rl und R3 sowie dem Kondensator C4 angeordnet, um die Impulsbreite des Taktgenerators einzustellen und ferner die gewünschte Flußspannung der Leuchtdioden zu erreichen.
Rl hat einen Wert von ungefähr 51 kn, R3 hat ungefähr einen Wert von 62 kn und C4 einen Wert von 2,2 nF. Der Feldeffekttransistor Fl zusammen mit der Diode D5, die als ein NDC 632-Chip realisiert sind, dient als gemeinsames Bauelement zum Abwärtswandeln und Aufwärtswandeln der Spannung. Zum Abwärtswandeln ist die Spule 11 vorgesehen (100 μH) und zum Aufwärtswandeln ist die Spule 12 (100 μH) in Reihe zur Masse geschaltet. Der Abwärtswandler ist eine Spule in Reihe zur Betriebsspannung und dem Transistor Fl. Die Diode Dl ist beispielsweise ein 1N5817. Der Elektrolytkondensator C2 fungiert als Spannungsquelle und hat eine Größe von ungefähr 22 μF.
Die Diode D2 (beispielsweise 1N5817) dient zusammen mit dem Elektrolytkondensator C3 (22 μF) dazu, eine Gleichspannung zu erzeugen, wobei im Elektrolytkondensator C3 die umgesetzte Spulenenergie gespeichert ist. Der Widerstand R2, der beispielsweise 75 mn beträgt, dient dazu, den Strom in den Spulen zu begrenzen, so daß die Spule bzw. die Spulen gerade eine Sättigung erreichen. Durch die Spannung, die über dem Widerstand R2 abfällt, wird der Taktgenerator geregelt, so daß die Impulse verkürzt oder verlängert werden. Die in dem Kondensator C3 gespeicherte Spulenenergie dient als Versorgung für einen zweiten Taktgenerator 14, der beispielsweise einen Takt von 1 kHz zur Verfügung stellt. Mit den dazu geschalteten Widerständen R4, R5 und den Dioden D3 und D4 wird das Tastverhältnis des zweiten Taktgenerators 14 geändert. Mit dem Widerstand R4 und der Diode D3 wird die Lowphase geändert, wohingegen mit dem Widerstand R5 und der Diode D4 die Highphase geändert wird. Die Dioden D3 und D4 sind beispielsweise die Bauelemente 1N5817. Die Widerstände R4 und R5 sind in diesem Ausführungsbeispiel mit 7 kn und 15 kΩ angegeben. Der nachgeschaltete Feldeffekttransistor F2 mit Diode D6 (NDC632) dient als Schalter für die nachgeschalteten Leuchtdioden, wobei aufgrund des geringen Durchgangswiderstandes des Feldeffekttransistors von ungefähr 0,001 n im wesentlichen kein Spannungsabfall zu verzeichnen ist. Hinter den Widerständen R6, R7 und R8 sind die Anschlüsse 15, 16 und 17 für die Anoden von drei Leuchtdioden angegeben, wohingegen der Anschluß 18 mit den Kathoden der Leuchtdioden verbunden ist.
Der Vorteil der hier dargestellten Schaltung liegt u.a. darin, daß diese über einen großen Betriebsspannungsbereich arbeitet. Die Ausgangsspannung wird so bemessen, daß sie exakt an die notwendige Flußspannung der Leuchtdioden angepaßt ist. Bei Leuchtdioden auf GaN-Basis liegt diese bei etwa 3,5 V. Bei einer derartigen Flußspannung fließen ungefähr 20 mA durch die jeweilige Leuchtdiode. Diese können allerdings aufgrund der getakteten Beschaltung auch mit 4,1 V Flußspannung betrieben werden, wodurch kurzfristig Ströme von 80 mA durch die Leuchtdioden fließen, wodurch die Helligkeit deutlich erhöht wird. Bei der vorgestellten Schaltung kann die Eingangsspannung sowohl unter als auch über der Ausgangsspannung liegen. Bei Verwendung eines Maxim 668 beträgt die minimale Eingangsspannung ungefähr 1 V, wohingegen die maximale Spannung 8 V beträgt. Die obere Grenze liegt normalerweise beim Maxim 608 bei 16 V, diese wird allerdings durch den Feldeffekttransistor Fl bestimmt und in diesem Beispiel auf 8 V begrenzt.
Die Ausgangsspannung wird durch den Spannungsteiler der Widerstände Rl und R3 auf die gewünschte Größe begrenzt.
Die Spule Ll bildet zusammen mit dem Transistor Fl einen Aufwärtswandler. Dazu wird der Transistor Fl von dem Taktgenerator 13 ständig geschaltet. Hierbei ist die Spule in Reihe zur Eingangsspannung gelegt, so daß sich die Spannungen addieren können. Über der Diode Dl wird die Spannung für den Taktgenerator 13 bereitgestellt. Diese wird über den Kondensator C5 geglättet und reduziert gleichzeitig den Innenwiderstand der Stromversorgung. Der Kondensator C2 und die Spule 12 bilden in Verbindung mit dem Transistor Fl, der über den Taktgenerator 13 gesteuert ist, einen Abwärtswandler.
Um einen Auf- und Abwärtswandler in einer Schaltung einbringen bzw. mischen zu können, wird das Prinzip des invertierenden Wandlers benutzt, bei dem die Spule 12 nach Masse geschaltet ist. Die Versorgung erfolgt über den Kondensator C2. Dieser lädt sich, wenn Fl offen ist, über den Weg Spule 11 - Kondensator C2 - Spule 12 auf. Wird der Transistor Tl geschlossen, so wird der Pluspol des Kondensators an Masse gelegt. Damit liegt parallel zur Spule 12 eine negative Spannung während des Einschaltvorgangs. Die Spule baut beim Ausschalten eine entgegengesetzt gerichtete Spannung auf, die über die Diode D2 als positive Ausgangsspannung zur, Verfügung steht und im Speicherkondensator C3 gespeichert wird. Die Diode D2 stellt sowohl für den Auf- als auch den Abwärtswandler den benötigten zweiten Schalter dar.
Der hohe Wirkungsgrad wird bei diesem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß der Strom durch die Spulen mit Hilfe des Widerstandes R2 überwacht wird. Hierbei wird der Spulenstrom, der an dem Widerstand R2 als Spannungsabfall zu verzeichnen ist, so bemessen, daß die Spule gerade die Sättigung erreicht. Jede weitere Stromerhöhung würde nicht zur Ausgangsleistung beitragen, sondern nur die Spule selbst erwärmen und damit den Wirkungsgrad verringern. Ist die Sättigung der Spule erreicht, wird die Pulsbreite über den Eingang CS des Taktgenerators verringert und damit im nächsten Takt der Spulenstrom wieder etwas reduziert. Der zweite Taktgenerator 14 ist beispielsweise Bestandteil eines ICs, wie z.B. der CD 4093, von dem allerdings nur ein Gatter benötigt wird. Dieser ist ein Schmitt-Trigger mit invertiertem Ausgang. Hierdurch läßt sich mit geringem Aufwand ein Taktgenerator aufbauen. Hierzu wird nur ein Kondensator C6 (1 nF) und ein Widerstand zur Rückkopplung zwischen Ein- und Ausgang benötigt. Um die Breite der Low- und Highphase des Ausgangssignals getrennt einstellen zu können, werden zwei getrennte Widerstände R4 und R5 benutzt. Diese sind über die Dioden D3 und D4 entkoppel t .
Der zweite Feldeffekttransistor F2 wird lediglich als Schalter der Leuchtdioden verwendet. Hierdurch wird eine Reduzierung des gesamten Strom- bzw. Energieverbrauchs erreicht, da das menschliche Auge eine Art Tiefpaß- Funktion hat und die Lichtimpulse zu einem Gesamt-Hel- 1 i gkei tsei ndruck integriert. Hierzu schwingt der Takt- generator mit einer Frequenz von wenigstens 100 Hz, um Flimmerfreiheit zu erreichen.
Die Widerstände R7 und R8 sind Schutzwiderstände, die in Reihe zu den Leuchtdioden geschaltet sind. Diese gleichen auch die herstell ungsbedingten Toleranzen in der Flußspannung der Leuchtdioden aus. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Leuchtdioden im wesentlichen gleich hell leuchten.
Fig. 2 stellt eine Schni ttdarstell ung der Anordnung der Schaltung dar, die insbesondere vorzugsweise in Taschenlampen einbaubar ist. Es sind zwei Leuchtdioden 21 dargestellt, die an einem Gehäuse 20 befestigt sind. Die elektrischen Zuführungen zu den Leuchtdioden sind durch Kabel 22 dargestellt. Diese verbinden die Leuchtdioden mit Kontakten auf einer Platine 23, auf die Bauelemente 24 der Schaltungsanordnung angebracht sind.
Es ist ferner eine zweite Platine 23 dargestellt, auf der weitere Bauelemente 24 der Schaltungsanordnung angebracht sind. Die Schaltungsanordnung wird getrennt angeordnet, um Störungen, die durch induzierte Magnetfelder der Spulen hervorgerufen werden, in Bauelementen zu minimieren. Ferner ist eine weitere Platine 23 dargestellt, die Kontakte 26 aufweist. An diese Kontakte 26 wird eine Spannung angelegt. Beispielsweise ist der äußere Kontakt 26 ein Ring und der innere Kontakt 26 ein gefüllter Kreis aus jeweils Metall. Um die Stoßfestigkeit der Schaltungsanordnung und damit die mechanische Belastbarkeit wesentlich zu erhöhen, ist in dem Raum zwischen den Platinen eine Vergußmasse 25 eingebracht. Diese Vergußmasse kann Epoxidharz, Polyesterharz oder ein Gießharz sein, wie beispielsweise das sogenannte Polyglass-Resin oder ein XOR-Kri stall-Resin des Herstellers Artidee.
Bezuqszeichenl iste
GND Masse
Vcc angelegte Spannung
10 Batterieklemme
11 1. Spule
12 2. Spule
13 1. Taktgenerator
14 2. Taktgenerator
15-17 Anschluß zu Anoden der 1. bis 3. LED
18 Anschluß z.u den Kathoden der LED's
20 Halterung
21 LED
22 Kabel
23 Platine
24 Bauelemente
25 Vergußmasse
26 Kontakt
C1-C6 1.-6. Kondensator
D1-D6 1.-6. Diode
Fl erster FET
F2 zweiter FET
R1-R8 1. -8. Widerstand

Claims

Schaltungsanordnung zum Betreiben von LeuchtdiodenPatentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden mit einem Schaltregler, einem Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquell e (10, 26), und einem Mittel zum Ankoppeln eines Verbrauchers (15, 16, 17, 18), dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler einen Transistor (Fl), einen ersten Taktgenerator (13) und zwei Spulen (11, 12) umfaßt, wobei die erste Spule (11) mit dem Transistor (Fl) als Abwärtswandler geschaltet ist und die zweite Spule (12) mit dem Transistor (Fl) als Aufwärtswandler geschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher wenigstens eine Leuchtdiode ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R2) zwischen Basis des Transistors (Fl) und Masse (GND) geschaltet ist, wobei mittels der Spannung, die über dem Widerstand (R2) abfällt, die Pulsbreite des ersten Taktgenerators (13) steuerbar und/oder regelbar ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Fl) ein Feldef ekttransistor ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Taktgenerator (14) hinter dem Schaltregler und vor einem zweiten Transistor (F2) geschaltet ist, der den Verbraucher ein- und ausschaltet.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (F2) ein Feldeffekttransistor ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Takt des zweiten Taktgenerators (14) eine Frequenz aufweist, die größer als das zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges i st .
8. Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden mit einem ersten Taktgenerator (13) und einem zweiten Taktgenerator (14), einem Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquelle (10), und einem Mittel zum Ankoppeln eines Verbrauchers (15, 16, 17, 18), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Taktgenerator (13) und dem zweiten Taktgenerator (14) ein Aufwärtswandler und/oder ein Abwärtswandler geschaltet ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher wenigstens eine Leuchtdiode (21) ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Taktgenerator (14) und dem Mittel zum Ankoppeln eines Verbrauchers (15, 16, 17, 18) ein zweiter Transistor (F2) angeordnet ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (F2) ein Feldeffekttransistor ist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (F2) mit einer Frequenz schaltbar ist, die größer als das zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ist.
13. Leuchtkörper mit einer Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.
14. Leuchtkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtkörper wenigstens zwei Leuchtdioden umfaßt, die parallel geschaltet sind.
15. Leuchtkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Ketten von in Reihe geschalteten Leuchtdioden vorgesehen sind, die parallel geschaltet sind.
16. Leuchtkörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtkörper eine Lampe, insbesondere eine Taschenlampe ist.
17. Leuchtkörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtkörper eine Anzeigetafel, insbesondere eine Verkehrsanzeigetafel ist.
18. Schaltungsanordnung zum Betreiben von Leuchtdioden (21) mit einem Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquelle (10, 26), einem Mittel zum Ankoppeln (22) wenigstens einer Leuchtdiode (21) und mit wenigstens einem Taktgenerator (13, 14), wobei die Schaltungsanordnung auf wenigstens einer Platine (23) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine (23) mit einer Vergußmasse (25) vergossen ist.
19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung auf zwei beabstandeten Platinen (23) angeordnet ist und die Vergußmasse (25) in dem Raum zwischen den Platinen (23) angeordnet ist.
20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 18 und/oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Ankoppeln einer Spannungsquelle (10, 26) Kontakte (26) umfaßt, die auf einer weiteren Platine (23) angeordnet sind.
21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der weiteren Platine (23) und der wenigstens einen Platine (23) mit Vergußmasse (25) ausgefüllt ist.
22. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Leuchtdiode (21) an einer Halterung (20) angebracht ist und der Raum zwischen der Halterung (20) und der benachbarten Platine (23) mit Vergußmasse (25) ausgefüllt ist.
hö
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