WO2007065815A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum betreiben mindestens einer led - Google Patents

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WO2007065815A1
WO2007065815A1 PCT/EP2006/069028 EP2006069028W WO2007065815A1 WO 2007065815 A1 WO2007065815 A1 WO 2007065815A1 EP 2006069028 W EP2006069028 W EP 2006069028W WO 2007065815 A1 WO2007065815 A1 WO 2007065815A1
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led
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Peter Niedermeier
Bernd Rudolph
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Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement and a method for operating at least one LED (Light Emitting Diode).
  • LED Light Emitting Diode
  • LEDs are increasingly penetrating general lighting due to their advantages.
  • inexpensive operating circuits are desirable.
  • SELV Safety Extra Low Voltage
  • SELV Safety Extra Low Voltage
  • the object of the present invention is to provide a circuit arrangement and a method for operating at least one LED, which enable the implementation of several of the above-mentioned functions with the least possible circuitry complexity.
  • This object is achieved by a circuit arrangement having the features of patent claim 1 and by an operating method having the features of patent claim 10.
  • the present invention is based on the knowledge that the above object can be achieved by a circuit arrangement which comprises an inverter which is connected via a matching network with a resonance circuit which operates at least one LED, the inverter being corrected via a pump circuit with regard to the power factor and the mains current harmonics.
  • the topology of a charge pump means that the rectifier is coupled to the main energy store via an electronic pump switch. This creates a pump node between the rectifier and the electronic pump switch.
  • the pump node is coupled to the inverter output via a pump network.
  • the pump network can contain components that can also be assigned to the matching network.
  • the principle of the charge pump is that during a half period of the inverter frequency, energy is drawn from the grid voltage via the pump node and buffered in the pump network. In the subsequent half-cycle of the inverter frequency, the temporarily stored energy is fed to the main energy store via the electronic pump switch. Accordingly, energy is taken from the grid voltage in time with the inverter frequency.
  • the spectral components of the grid current which are at or above the inverter frequency can be suppressed by filter circuits.
  • the charge pump can thus be designed in such a way that the harmonics of the mains current are so low that the aforementioned regulations are observed.
  • a preferred embodiment is characterized in that it comprises a second rectifier, in particular a full-bridge rectifier, which is coupled between the matching network and the connection terminals for the at least one LED.
  • the circuit arrangement comprises further at least one coupling capacitor
  • the matching network comprises a series resonant LC circuit
  • At least one coupling capacitor in series with the inductance of the LC series resonant circuit prevents ei ⁇ nen direct current through this inductance and thus its magnetic saturation and effectiveness as a current limit of ⁇ element.
  • the voltage swing at the input of the second rectifier in relation to that at the inverter -A- lying voltage determines the quality of the correction of the mains current harmonics.
  • a transformation Preferably between the matching network and the connection terminals on ⁇ mator coupled to the at least one LED, a transformation. This makes it easy to achieve electrical isolation between the circuit arrangement and the at least one LED.
  • the primary side of the transformer is coupled to the matching network and the secondary side of the transformer with the connection ⁇ terminals for the at least one LED, wherein between the secondary side of the transformer and the terminals for the at least one LED, a second rectifier, in particular a full bridge rectifier is coupled.
  • a second rectifier in particular a full bridge rectifier is coupled.
  • a preferred development of an inventive circuit arrangement further comprises a controller, at whose controller output a control signal can be provided, wherein the controller output is such overall coupled to the inverter that the control signal frequency influences the Kirrichterfre ⁇ .
  • the controller input is preferably coupled to a device for measuring a variable which is proportional to the current through the at least one LED. This allows the LED current to be regulated to a predeterminable value in a particularly advantageous manner Consideration of the load, ie the number of LEDs used, the mains voltage and the component tolerances of the entire circuit.
  • Fig. 1 is a block diagram for an inventive
  • Circuit arrangement for operating at least one LED
  • Fig. 2 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 3 shows the time course of that taken from the network
  • Fig. 1 is a block diagram for a erfindungsge ⁇ Permitted circuit arrangement for operating at least one LED shown.
  • a power ⁇ can voltage from a commercial power source of Heidelbergungsan ⁇ be fed properly.
  • the mains voltage is first fed into a block FR.
  • this block contains known means for filtering interference, and on the other hand, this block contains a rectifier which rectifies the mains voltage, which is usually an AC voltage but can also be a DC voltage.
  • a full-wave rectifier in bridge circuit is usually used for this. What is important for the function of a charge pump implemented in the circuit arrangement is the property of the rectifier that it does not allow any current that would mean an energy flow from the circuit arrangement to the mains voltage source .
  • the rectified mains voltage is fed to an electronic ⁇ rule pump switch UNI, said binding site on the Verbin ⁇ FR and electronic pumping switch UNI creates a pumping node Nl between the rectifier.
  • the electronic pump switch UNI comprises a pump diode that only allows a flow of current that flows from the pump node Nl to the pump diode. It is also possible that fulfills the function of the pump diode any electronic switch such as a MOSFET switch to use for the electronic pump ⁇ UNI.
  • the current that the UNI electronic pump switch lets through feeds a main energy storage STO.
  • Most of the main energy store STO is designed as Elektrolytkon ⁇ capacitor. However, other types of capacitors are also possible. In principle, the form of energy storage that is dual to the capacitor is also possible. In the dual case, the main energy storage is STO as a coil executed. Because of the lower costs and the better efficiency, a capacitor is preferred as the main energy store STO.
  • the rectifier GR hereby guarantees that the Minim ⁇ is least made an LED current only in the direction available in this vice from the LED into light ⁇ sets can be.
  • the inductance L which may be realized by ei ⁇ NEN transformer serves to reduce the ripple of the designated at least one LED current flowing through ⁇ PN ILED- the function of the block as a pump network.
  • the block MN / PN is connected to the pump node Nl.
  • the connecting line between the pump node N1 and the block MN / PN is provided with an arrow at both ends in FIG. 1. This is to indicate that energy flows alternately from the pump node Nl to the block MN / PN and back.
  • the function of the matching network and the pump networks are combined in the block MN / PN, because embodiments of the invention are possible in which individual components can be assigned to both one and the other function.
  • ⁇ ler CONT acts on a command value to the inverter INV.
  • a parameter of the output from the inverter change size, for example the operating frequency and / or the pulse width, so verän- changed, that a change in the operating variable is counteracted ⁇ .
  • the operating variable is fed to an input of the controller CONT via the connection B1.
  • In the operating variable is a variable which drove the Be ⁇ the LED determined, for example, the current I LED through the LED.
  • FIG. 2 an exemplary embodiment of a dung OF INVENTION ⁇ circuit arrangement according to at least one LED is shown for operating.
  • a mains voltage can be connected to the connections J1 and J2.
  • L2 Via a filter consisting of two factors Kondensa ⁇ Cl, C2 and two coils Ll, L2 is the line voltage to a full-bridge rectifier consisting of diodes Dl, D2, D3, D4, respectively.
  • the full-bridge rectifier provides a node N21 with respect to a reference node NO, the rectified network ready.
  • the node N21 is also th Pumpkno ⁇ .
  • the diodes used in the rectifier Dl must nen to D4 turn fast enough Kings ⁇ to follow the inverter frequency. If this is not the case, a fast diode can be connected between the rectifier output and the pump node.
  • An electronic pump switch which is designed as a diode D5, leads from the pump node N21 to the node N22.
  • the main energy store which is designed as an electrolytic capacitor C6, is connected between N22 and NO.
  • the condensate ⁇ sator C6 supplies the inverter, which is designed here as a half bridge.
  • other converter topologies such as flyback converters or full bridges, can also be used.
  • the half-bridge shown in the embodiment in Fig. 2 includes the series connection of two Halbbrü ⁇ ckentransistoren Tl and T2, and the series circuit of two coupling capacitors C15 and C16. Both series connections are connected in parallel to C6.
  • a connection node N23 of the half-bridge transistors and a connection node N24 of the coupling capacitors C15, C16 form the alternating Rich ⁇ from ter at which a trapezoidal inverter voltage is applied to an inverter frequency.
  • An inductor L3 is connected between the node N23 and a node N25.
  • a capacitor C8 acts as Trapezkondensa ⁇ tor. Energy is supplied via a capacitor C7 to supply an integrated circuit IC1, which will be discussed in more detail below.
  • the capacitor C7 Since a trapezoidal voltage is present at the node N23 during operation of the inverter, the capacitor C7 results a current flow during these times.
  • the po sitive ⁇ half wave via diode D17 is used to power the circuit ICl, during the negative half-wave is ⁇ tet tolei- via the diode D18 to the reference potential NO.
  • the node N25 is connected via a first resonance ⁇ capacitor C9 to the pumping node N21. Between N21 and NO, a second resonant capacitor is switched C5 ge ⁇ . C9 and C5 constitute with the choke L3 a Reso ⁇ nanz Vietnamese.
  • the inductor L3 cooperates with C9 and C5 as a matching network that transforms an output impedance of Wech ⁇ selrichters in a necessary for operating the at least one LED impedance.
  • C9 and C5 By connecting C9 and C5 with the pump node N21, the combination of L3, C9 and C5 not only acts as a resonant circuit and matching network, but also as a pump network. If the potential at N21 is lower than the current mains voltage, the pump network L3, C9, C5 draws energy from the mains voltage. Exceeds the potential at N21, the voltage at the main energy store C6, so the power absorbed by the mains voltage energy to C6 submitge ⁇ is Ben.
  • the effect of the network L3, C9, C5 as a pump network can be balanced.
  • a further pumping effect comes from the capacitor C8, which is connected between N23 and N21.
  • C8 also not only acts as a pump network, but, as mentioned, fulfills the task of a trapezoidal capacitor. Trapezoidal capacitors are generally known as a measure for relieving the switch in inverters.
  • the matching network is followed by a second full-bridge rectifier, which is formed by diodes D7, D8, D9 and D10. These ensure that the LED is only supplied with current in one direction.
  • a constant current choke L2 is arranged, which ensures a reduction in the ripple of the current I LED supplied to the at least one LED.
  • the constant-current inductor L2 may be realized by a transformer, the second rectifier D7 until DLO then placed on the secondary side of the Trans ⁇ formators.
  • exemplary embodiments with two or more pump branches are conceivable, in which the pumped energy is divided into several components. For a withdrawn güns ⁇ important dimensioning of the components is possible. Also is obtained in a degree of freedom in the design of Ab ⁇ dependence of the pumped energy on operating parameters of the at least one LED.
  • the half-bridge transistors T1, T2 are designed as MOSFETs. Other electronic switches can also be used for this.
  • an integrated circuit ICl is provided in the embodiment.
  • IC1 is a circuit from the company International Rectifier of type IR2153. Alternative circuits to this type are also available on the market, for example an L6571 from STM.
  • the Circuit IR2153 includes a so-called high-side driver is the also the half-bridge transistor T ⁇ can be controlled, even though he has no connection to the Be ⁇ zugspotenzial NO. This requires a diode D6 and a capacitor C4.
  • connection 1 of the ICl is supplied with operating voltage via connection 1 of the ICl. 2, connection 1 is connected to a node N26, which is coupled to node N22 via a resistor R18.
  • the voltage at node N26 is kept at a predeterminable value by a Zener diode D12 and made available to the IC1 via a capacitor C18.
  • the component IC1 could, for example, be supplied by the rectified mains voltage via a resistor.
  • the IC1 comprises an oscillator, the oscillation frequency of which can be set via the connections 2 and 3.
  • the oscillation frequency of the oscillator ent ⁇ says the inverter frequency.
  • Circuits between the at ⁇ 2 and 3 is a frequency-determining resistor R12 connected.
  • R12 a frequency-determining resistor
  • An Bipolartran ⁇ sistors connected T3.
  • a diode D13 is connected in parallel with the emitter-collector path of T3 so that the capacitor C12 can be charged and discharged.
  • the inverter frequency can be set by means of a voltage between the basic connection of T3 and NO and thus forms a manipulated variable for a control loop.
  • T3, ICI and their wiring can thus be construed as ler Reg ⁇ .
  • the functions of the IC1 and its wiring can also be realized by any voltage or current-controlled oscillator, which controls the half-bridge transistors via driver circuits.
  • the control loop in the exemplary embodiment detects the current I LED through the LED as a control variable .
  • a quantity proportional to the current I LED is fed via capacitor C17 and diodes D14 and D15 to a low-resistance measuring resistor R7.
  • the voltage drop at R7 is therefore a measure of the current through the at least one LED.
  • Via a low-pass filter for averaging the resistor by a Wi ⁇ R8 and a capacitor C19 is formed, ge ⁇ reached the voltage drop at the input of a non-inverting in- measuring amplifier.
  • the measuring amplifier is implemented in a known manner by an operational amplifier AMP and the resistors R9, RIO and RIl.
  • a gain of Messverstär ⁇ kers of 10 is set.
  • the amplifier can be omitted or replaced by an impedance converter, such as an emitter follower.
  • Fig. 3 shows a schematic arrangement of the waveform of the line current Iline and the current I L ED by the at least one LED in a circuit arrangement according to Fig 2. in Figure 3 is still recognizable modulation of the at least one LED by current I LED flowing.. - Before ⁇ there is a 100 Hz modulation, which is superimposed by a high-frequency signal - can be further reduced by optimizing the above-mentioned control, while the RF ripple can be reduced by increasing the constant current choke L2.

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer LED, umfassend: einen ersten und einen zweiten Netzanschluss (J) zum Anschluss einer Netzspannung; einen ersten Gleichrichter (FR), dessen Gleichrichtereingang mit den Netzanschlüssen (J) gekoppelt ist und an dessen Gleichrichterausgang die gleichgerichtete Netzspannung bereitstellbar ist; einen elektronischen Pumpschalter (UNI), der mit dem Gleich- richterausgang gekoppelt ist, wodurch ein Pumpknoten (N1) definiert ist; einen Hauptenergiespeicher (STO), der mit der dem Gleichrichterausgang abgewandten Seite des elektronischen Pumpschalters (UNI) gekoppelt ist; einen Wechselrichter (INV), der zur Versorgung mit Energie aus dem Hauptenergiespeicher (STO) mit diesem gekoppelt ist, wo- bei der Wechselrichter (INV) ausgelegt ist, an seinem Wechselrichterausgang eine Wechselrichterspannung bereit- zustellen, die eine Wechselrichterfrequenz aufweist; ein Pumpnetzwerk (PN), über das der Wechselrichterausgang mit dem Pumpknoten (N1) gekoppelt ist; ein Anpassnetzwerk (MN), über das der Wechselrichterausgang mit den An- schlussklemmen (J) für die mindestens eine LED gekoppelt ist, wobei das Anpassnetzwerk (MN) einen Resonanzkreis mit einer Eigenfrequenz aufweist. Sie betrifft überdies ein entsprechendes Betriebsverfahren zum Betrieb mindestens einer LED.

Description

Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben mindestens einer LED
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanord¬ nung und ein Verfahren zum Betreiben mindestens einer LED (Light Emitting Diode) .
Stand der Technik
LEDs dringen in zunehmendem Maße aufgrund ihrer Vorzüge in die Allgemeinbeleuchtung ein. In diesem Zusammenhang sind kostengünstige Betriebsschaltungen erwünscht. Bisher werden so genannte SELV (Safety Extra Low Voltage)- Stromversorgungen verwendet, die eine vom Netz potenzial¬ getrennte Schutzkleinspannung für die Versorgung der LEDs bereitstellen. Dabei wird im Stand der Technik ein enormer schaltungstechnischer Aufwand betrieben, um die Funktionen der Leistungsfaktorkorrektur, der Potenzialtrennung, der Regelung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms sowie Schutzmaßnahmen gegen Überlast und Kurzschluss sicherzustellen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben mindestens einer LED bereitzustellen, die eine Umsetzung mehrerer der oben genannten Funktionen bei möglichst ge- ringem schaltungstechnischen Aufwand ermöglichen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 10. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die obige Aufgabe gelöst werden kann durch eine Schaltungsanordnung, die einen Wechselrichter umfasst, der über ein Anpassnetzwerk mit einem Resonanzkreis die mindestens eine LED betreibt, wobei der Wechselrichter über eine Pumpschaltung bezüglich des Leistungsfaktors und der Netzstromoberschwingungen korrigiert wird.
Würde der Hauptenergiespeicher direkt aus dem ersten Gleichrichter geladen werden, so entstünden Ladestromspitzen, die zu einer Verletzung der einschlägigen Vor- Schriften, z. B. IEC 1000-3-2, führen würden.
Die Topologie einer Ladungspumpe beinhaltet, dass der Gleichrichter über einen elektronischen Pumpschalter mit dem Hauptenergiespeicher gekoppelt ist. Dadurch entsteht zwischen dem Gleichrichter und dem elektronischen Pump- Schalter ein Pumpknoten. Der Pumpknoten ist über ein Pumpnetzwerk mit dem Wechselrichterausgang gekoppelt. Das Pumpnetzwerk kann Bauteile enthalten, die zugleich dem Anpassnetzwerk zugeordnet werden können. Das Prinzip der Ladungspumpe besteht darin, dass während einer Halbperio- de der Wechselrichterfrequenz über den Pumpknoten Energie der Netzspannung entnommen und im Pumpnetzwerk zwischengespeichert wird. In der darauf folgenden Halbperiode der Wechselrichterfrequenz wird die zwischengespeicherte E- nergie über den elektronischen Pumpschalter dem Haupt- energiespeicher zugeführt. Der Netzspannung wird demnach Energie im Takt der Wechselrichterfrequenz entnommen. Durch Filterschaltungen können die Spektralanteile des Netzstroms unterdrückt werden, die bei der Wechselrichterfrequenz oder darüber liegen. Damit kann die Ladungspumpe so ausgelegt werden, dass die Oberschwingungen des Netzstroms so gering sind, dass besagte Vorschriften eingehalten werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen zweiten Gleichrichter umfasst, insbe- sondere einen Vollbrückengleichrichter, der zwischen das Anpassnetzwerk und die Anschlussklemmen für die mindestens eine LED gekoppelt ist. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass die gesamte vom Anpassnetzwerk be¬ reitgestellte Energie der mindestens einen LED in einer Form, d. h. mit einer Stromrichtung, zur Verfügung ge¬ stellt wird, in der sie von der LED in Licht umgesetzt werden kann. Diese Maßnahme führt daher zu einem hohen Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Bevorzugt weist die Schaltungsanordnung weiterhin mindes- tens einen Koppelkondensator auf und das Anpassnetzwerk umfasst einen LC-Serienresonanzkreis, wobei der Gleich¬ richtereingang des zweiten Gleichrichters einerseits mit dem Hochpunkt des LC-Serienresonanzkreises und anderer¬ seits mit dem mindestens einen Koppelkondensator gekop- pelt ist. Mindestens ein Koppelkondensator in Serie zur Induktivität des LC-Serienresonanzkreises verhindert ei¬ nen Gleichstrom durch diese Induktivität und damit deren magnetische Sättigung und Wirksamkeit als strombegrenzen¬ des Element. Der Spannungshub am Eingang des zweiten Gleichrichters in Relation zu der am Wechselrichter an- -A- liegenden Spannung bestimmt die Güte der Korrektur der Netzstromoberschwingungen .
Bevorzugt ist zwischen das Anpassnetzwerk und die An¬ schlussklemmen für die mindestens eine LED ein Transfor- mator gekoppelt. Dadurch lässt sich auf einfache Art und Weise eine Potenzialtrennung zwischen der Schaltungsanordnung und der mindestens einen LED realisieren.
Dabei ist besonders bevorzugt, wenn die Primärseite des Transformators mit dem Anpassnetzwerk gekoppelt ist und die Sekundärseite des Transformators mit den Anschluss¬ klemmen für die mindestens eine LED, wobei zwischen der Sekundärseite des Transformators und den Anschlussklemmen für die mindestens eine LED ein zweiter Gleichrichter, insbesondere ein Vollbrückengleichrichter, gekoppelt ist. Bei Verwendung eines zweiten Gleichrichters ist bevor¬ zugt, wenn seriell zum Gleichrichterausgang und zu den Anschlussklemmen für die mindestens eine LED eine Induk¬ tivität angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird die Welligkeit (ripple) des der mindestens einen LED zuge- führten Stroms verringert.
Eine bevorzugte Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung umfasst weiterhin einen Regler, an dessen Reglerausgang ein Stellsignal bereitstellbar ist, wobei der Reglerausgang derart mit dem Wechselrichter ge- koppelt ist, dass das Stellsignal die Wechselrichterfre¬ quenz beeinflusst. Bevorzugt ist dabei der Reglereingang mit einer Vorrichtung zur Messung einer Größe gekoppelt, die dem Strom durch die mindestens eine LED proportional ist. Damit lässt sich in besonders vorteilhafter Weise der LED-Strom auf einen vorgebbaren Wert regeln, unter Berücksichtigung der Last, d. h. der Anzahl der verwendeten LEDs, der Netzspannung und der Bauteiletoleranzen der gesamten Schaltung.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung er- geben sich aus den Unteransprüchen.
Die mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Schaltungsanord¬ nung erwähnten bevorzugten Ausführungsformen und ihre Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Be¬ triebsverfahren .
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en) Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel ei¬ ner erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen :
Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer LED;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer LED; und Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des dem Netz entnommenen
Stroms INetz sowie des Stroms ILED durch die eine LED in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild für eine erfindungsge¬ mäße Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer LED dargestellt. An Anschlussklemmen J kann eine Netz¬ spannung aus einer Netzspannungsquelle der Schaltungsan¬ ordnung zugeführt werden. Die Netzspannung wird zunächst in einen Block FR eingespeist. Zum einen enthält dieser Block bekannte Mittel zum Filtern von Störungen und zum anderen enthält dieser Block einen Gleichrichter, der die Netzspannung, die üblicherweise eine Wechselspannung ist, aber auch eine Gleichspannung sein kann, gleichrichtet. Üblicherweise wird dafür ein Vollweggleichrichter in Brü- ckenschaltung verwendet. Wichtig für die Funktion einer in der Schaltungsanordnung realisierten Ladungspumpe ist die Eigenschaft des Gleichrichters, dass er keinen Strom zulässt, der einen Energiefluss von der Schaltungsanord¬ nung zur Netzspannungsquelle bedeuten würde. Die gleichgerichtete Netzspannung wird einem elektroni¬ schen Pumpschalter UNI zugeführt, wobei an der Verbin¬ dungsstelle zwischen Gleichrichter FR und elektronischem Pumpschalter UNI ein Pumpknoten Nl entsteht. Im einfachs¬ ten Fall besteht der elektronische Pumpschalter UNI aus einer Pumpdiode, die nur einen Stromfluss erlaubt, der vom Pumpknoten Nl zur Pumpdiode fließt. Es ist aber auch möglich, einen beliebigen elektronischen Schalter, wie zum Beispiel einen MOSFET, für den elektronischen Pump¬ schalter UNI einzusetzen, der die Funktion der Pumpdiode erfüllt. Der Strom, den der elektronische Pumpschalter UNI durchlässt, speist einen Hauptenergiespeicher STO. Meist ist der Hauptenergiespeicher STO als Elektrolytkon¬ densator ausgeführt. Es sind jedoch auch andere Arten von Kondensatoren möglich. Prinzipiell ist auch die zum Kon- densator duale Form der Energiespeicherung möglich. Im dualen Fall ist der Hauptenergiespeicher STO als Spule ausgeführt. Wegen der geringeren Kosten und des besseren Wirkungsgrads wird ein Kondensator als Hauptenergiespei¬ cher STO bevorzugt.
Es gibt auch Ausführungen von Ladungspumpen mit mehreren so genannten Pumpzweigen. Dabei werden mehrere elektroni¬ sche Pumpschalter UNI parallel geschaltet. Dadurch ent¬ stehen mehrere Pumpknoten Nl. Zur gegenseitigen Entkopplung der Pumpknoten ist jeweils zwischen Gleichrichter und Pumpknoten eine Diode geschaltet. Der Hauptenergiespeicher STO stellt seine Energie einem Wechselrichter INV zur Verfügung. Der Wechselrichter INV erzeugt eine Wechselgröße, meist eine Wechselspannung, die einem Block zugeführt wird, der mit MN und PN be¬ zeichnet ist. MN bezeichnet die Funktion des Blocks als Anpassnetzwerk. Bezüglich dieser Funktion ist der Block MN/PN über einen weiteren Gleichrichter GR und eine Induktivität L mit mindestens einer LED verbindbar. Der Gleichrichter GR stellt hierbei sicher, dass der mindes¬ tens einen LED Strom nur in der Richtung zur Verfügung gestellt wird, in der dieser von der LED in Licht umge¬ setzt werden kann. Die Induktivität L, die auch durch ei¬ nen Transformator realisiert sein kann, dient der Verringerung der Welligkeit des die mindestens eine LED durch¬ fließenden Stroms ILED- PN bezeichnet die Funktion des Blocks als Pumpnetzwerk. Bezüglich dieser Funktion ist der Block MN/PN mit dem Pumpknoten Nl verbunden. Die Verbindungslinie zwischen dem Pumpknoten Nl und dem Block MN/PN ist in Fig. 1 an beiden Enden mit einem Pfeil versehen. Dadurch soll angedeutet werden, dass Energie ab- wechselnd vom Pumpknoten Nl zum Block MN/PN und zurück fließt. Die Funktion des Anpassnetzwerks und des Pump- netzwerks sind im Block MN/PN zusammengefasst , weil Aus¬ führungsformen der Erfindung möglich sind, bei denen einzelne Bauteile sowohl der einen als auch der anderen Funktion zugeordnet werden können. Zur Regelung einer gewünschten Betriebsgröße ist ein Reg¬ ler CONT vorgesehen, der über eine Stellgröße auf den Wechselrichter INV einwirkt. Damit wird ein Parameter der vom Wechselrichter abgegebenen Wechselgröße, zum Beispiel die Betriebsfrequenz und/oder die Pulsweite, so verän- dert, dass einer Veränderung der Betriebsgröße entgegen¬ gewirkt wird. Die Betriebsgröße wird einem Eingang des Reglers CONT über die Verbindung Bl zugeführt. Bei der Betriebsgröße handelt es sich um eine Größe, die den Be¬ trieb der LED bestimmt, beispielsweise den Strom ILED durch die LED. Deshalb entspringt in Fig. 1 die Verbin¬ dung Bl dem Block für die LED. Anstelle des Stroms ILED durch die LED kann beispielsweise auch die in der LED umgesetzte Leistung die Betriebsgröße bilden. Diese Größen müssen nicht direkt an der LED erfasst werden, sondern können auch dem Block MN/PN entnommen werden.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfin¬ dungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer LED dargestellt.
An den Anschlüssen Jl und J2 ist eine Netzspannung an- schließbar. Über ein Filter, bestehend aus zwei Kondensa¬ toren Cl, C2 und zwei Spulen Ll, L2 wird die Netzspannung einem Vollbrückengleichrichter, bestehend aus den Dioden Dl, D2, D3, D4, zugeführt. Der Vollbrückengleichrichter stellt an seinem positiven Ausgang einem Knoten N21, be- züglich einem Bezugsknoten NO, die gleichgerichtete Netz- spannung bereit. Der Knoten N21 ist gleichzeitig Pumpkno¬ ten. Dabei ist zu beachten, dass die im Gleichrichter verwendeten Dioden Dl bis D4 schnell genug schalten kön¬ nen müssen, um der Wechselrichterfrequenz zu folgen. Falls dies nicht der Fall ist, kann eine schnelle Diode zwischen Gleichrichterausgang und Pumpknoten geschaltet werden .
Vom Pumpknoten N21 führt ein elektronischer Pumpschalter, der als Diode D5 ausgeführt ist, zum Knoten N22. Zwischen N22 und NO ist der Hauptenergiespeicher, der als Elektrolytkondensator C6 ausgeführt ist, geschaltet. Der Konden¬ sator C6 speist den Wechselrichter, der vorliegend als Halbbrücke ausgeführt ist. Es sind jedoch auch andere Wandlertopologien, wie zum Beispiel Sperrwandler oder Vollbrücke, einsetzbar.
Die in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 dargestellte Halbbrücke umfasst die Serienschaltung zweier Halbbrü¬ ckentransistoren Tl und T2 und die Serienschaltung zweier Koppelkondensatoren C15 und C16. Beide Serienschaltungen sind parallel zu C6 geschaltet. Ein Verbindungsknoten N23 der Halbbrückentransistoren und ein Verbindungsknoten N24 der Koppelkondensatoren C15, C16 bilden den Wechselrich¬ ter aus, an dem eine trapezförmige Wechselrichterspannung mit einer Wechselrichterfrequenz anliegt. Zwischen den Knoten N23 und einen Knoten N25 ist eine Induktivität L3 geschaltet. Ein Kondensator C8 wirkt als Trapezkondensa¬ tor. Über einen Kondensator C7 wird Energie zur Versorgung einer integrierten Schaltung ICl abgezweigt, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird. Da im Betrieb des Wechselrichters am Knoten N23 eine trapezförmige Spannung anliegt, ergibt sich durch den Kondensator C7 während dieser Zeiten ein Stromfluss. Dabei wird die po¬ sitive Halbwelle über die Diode D17 zur Stromversorgung der Schaltung ICl verwendet, während die negative Halb¬ welle über die Diode D18 zum Bezugspotential NO abgelei- tet wird. Der Knoten N25 ist über einen ersten Resonanz¬ kondensator C9 mit dem Pumpknoten N21 verbunden. Zwischen N21 und NO ist ein zweiter Resonanzkondensator C5 ge¬ schaltet. C9 und C5 bilden mit der Drossel L3 einen Reso¬ nanzkreis. Die Drossel L3 wirkt zusammen mit C9 und C5 als Anpassnetzwerk, das eine Ausgangsimpedanz des Wech¬ selrichters in eine zum Betrieb der mindestens einen LED nötige Impedanz transformiert. Durch die Verbindung von C9 und C5 mit dem Pumpknoten N21 wirkt die Kombination von L3, C9 und C5 jedoch nicht nur als Resonanzkreis und Anpassnetzwerk, sondern gleichzeitig als Pumpnetzwerk. Ist das Potenzial an N21 niedriger als die momentane Netzspannung, so bezieht das Pumpnetzwerk L3, C9, C5 E- nergie aus der Netzspannung. Übersteigt das Potenzial an N21 die Spannung am Hauptenergiespeicher C6, so wird die von der Netzspannung aufgenommene Energie an C6 abgege¬ ben. Durch die Wahl des Verhältnisses der Kapazitätswerte von C9 und C5 kann die Wirkung des Netzwerks L3, C9, C5 als Pumpnetzwerk abgeglichen werden. Je größer der Kapa¬ zitätswert von C5 gewählt wird, desto geringer ist die Wirkung des Netzwerks L3, C5, C9 als Pumpnetzwerk. Eine weitere Pumpwirkung geht von dem Kondensator C8 aus, der zwischen N23 und N21 geschaltet ist. Auch C8 wirkt nicht nur als Pumpnetzwerk, sondern erfüllt, wie erwähnt, die Aufgabe eines Trapezkondensators. Trapezkondensatoren sind allgemein als Maßnahme zur Schalterentlastung in Wechselrichtern bekannt. Auf das Anpassnetzwerk folgt ein zweiter Vollbrücken- gleichrichter, der von den Dioden D7, D8, D9 und DlO gebildet wird. Diese stellen sicher, dass die LED einen Strom nur einer Richtung zugeführt bekommt. Zwischen den Gleichrichterausgang und die Anschlüsse J3, J4 für die mindestens eine LED ist eine Konstantstromdrossel L2 an¬ geordnet, die für eine Verringerung der Welligkeit des der mindestens einen LED zugeführten Stroms ILED sorgt. Im Falle einer gewünschten Potenzialtrennung zwischen einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und der mindestens einen LED kann die Konstantstromdrossel L2 durch einen Transformator realisiert sein, wobei der zweite Gleichrichter D7 bis DlO dann auf der Sekundärseite des Trans¬ formators angeordnet wird. Neben der dargestellten Variante mit einem Pumpzweig sind ohne weiteres Ausführungsbeispiele mit zwei oder mehr Pumpzweigen denkbar, bei denen sich die gepumpte Energie auf mehrere Bauteile aufteilt. Damit ist eine kostengüns¬ tigere Dimensionierung der Bauteile möglich. Auch erhält man dadurch einen Freiheitsgrad bei der Auslegung der Ab¬ hängigkeit der gepumpten Energie von Betriebsparametern der mindestens einen LED.
Die Halbbrückentransistoren Tl, T2 sind als MOSFET ausgelegt. Auch andere elektronische Schalter können dafür eingesetzt werden. Zur Ansteuerung der Gates der Transis¬ toren Tl und T2 über die Widerstände R5 und R6 ist im Ausführungsbeispiel ein integrierter Schaltkreis ICl vorgesehen. ICl ist im vorliegenden Beispiel ein Schaltkreis der Firma International Rectifier vom Typ IR2153. Es sind auch alternative Schaltkreise zu diesem Typ auf dem Markt erhältlich, zum Beispiel ein L6571 der Firma STM. Der Schaltkreis IR2153 enthält einen so genannten High-Side- Treiber, mit dem auch der Halbbrückentransistor Tl ange¬ steuert werden kann, obwohl er keinen Anschluss am Be¬ zugspotenzial NO hat. Dazu sind eine Diode D6 und ein Kondensator C4 nötig. Die Betriebsspannungsversorgung des ICl erfolgt über den Anschluss 1 des ICl. In Fig. 2 ist dazu der Anschluss 1 mit einem Knoten N26 verbunden, der über einen Widerstand R18 an den Knoten N22 gekoppelt ist. Die Spannung am Knoten N26 wird durch eine Zenerdio- de D12 auf einem vorgebbaren Wert gehalten und über einen Kondensator C18 dem ICl bereitgestellt. Alternativ könnte beispielsweise der Baustein ICl über einen Widerstand von der gleichgerichteten Netzspannung versorgt werden.
Außer den Treiberschaltungen für die Halbbrückentransis- toren Tl, T2 umfasst das ICl einen Oszillator, dessen Schwingfrequenz über die Anschlüsse 2 und 3 eingestellt werden kann. Die Schwingfrequenz des Oszillators ent¬ spricht der Wechselrichterfrequenz. Zwischen den An¬ schlüssen 2 und 3 ist ein frequenzbestimmender Widerstand R12 geschaltet. Zwischen den Anschluss 3 und NO ist die Serienschaltung eines frequenzbestimmenden Kondensators C12 und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Bipolartran¬ sistors T3 geschaltet. Parallel zur Emitter-Kollektor- Strecke von T3 ist eine Diode D13 geschaltet, damit der Kondensator C12 ge- und entladen werden kann. Durch eine Spannung zwischen dem Basisanschluss von T3 und NO kann die Wechselrichterfrequenz eingestellt werden und bildet somit eine Stellgröße für einen Regelkreis. Der Basisan¬ schluss von T3 ist mit einem Stellgrößenknoten N24 ver- bunden. T3, ICl und deren Beschaltung kann somit als Reg¬ ler aufgefasst werden. Die Funktionen des ICl und dessen Beschaltung können auch realisiert werden durch einen beliebigen spannungs- oder stromgesteuerten Oszillator, der über Treiberschaltungen die Ansteuerung der Halbbrückentransistoren bewerkstel- ligt.
Der Regelkreis im Ausführungsbeispiel erfasst als Regel¬ größe den Strom ILED durch die LED. Dazu wird eine dem Strom ILED proportionale Größe über den Kondensator C17 und die Dioden D14 und D15 einem niederohmigen Messwider- stand R7 zugeführt. Der Spannungsabfall an R7 ist somit ein Maß für den Strom durch die mindestens eine LED. Über einen Tiefpass zur Mittelwertbildung, der durch einen Wi¬ derstand R8 und einen Kondensator C19 gebildet wird, ge¬ langt der Spannungsabfall an den Eingang eines nicht in- vertierenden Messverstärkers. Der Messverstärker wird in einer bekannten Weise durch einen Operationsverstärker AMP und die Widerstände R9, RIO und RIl realisiert. Im Ausführungsbeispiel ist eine Verstärkung des Messverstär¬ kers von ca. 10 eingestellt. Für den Fall, dass der Span- nungsabfall an R7 Werte aufweist, die direkt als Stell¬ größe verwendet werden können, kann der Messverstärker entfallen oder durch einen Impedanzwandler, wie zum Beispiel einen Emitterfolger, ersetzt werden.
Der Ausgang des Messverstärkers ist dem Knoten N27 ver- bunden. Damit ist der Regelkreis zur Regelung des Stroms durch die LED geschlossen. Durch ein Anheben der Oszillatorfrequenz wird infolge eines induktiven Lastkreises ei¬ ne Reduktion des die mindestens eine LED durchfließenden Stroms ILED erzielt. Fig. 3 zeigt in schematischer Anordnung den zeitlichen Verlauf des Netzstroms INetz sowie des Stroms ILED durch die mindestens eine LED in einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2. Die in Fig. 3 noch erkennbare Modulation des die mindestens eine LED durchfließenden Stroms ILED - vor¬ liegend handelt es sich um eine 100 Hz-Modulation, die von einem hochfrequenten Signal überlagert ist - kann durch eine Optimierung der oben erwähnten Regelung weiter reduziert werden, während die HF-Welligkeit durch eine Vergrößerung der Konstantstromdrossel L2 reduziert werden kann .

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer LED, umfassend:
- einen ersten und einen zweiten Netzanschluss (J) zum Anschluss einer Netzspannung;
- einen ersten Gleichrichter (FR) , dessen Gleichrichtereingang mit den Netzanschlüssen (J) gekoppelt ist und an dessen Gleichrichterausgang die gleichgerichtete Netzspannung bereitstellbar ist;
- einen elektronischen Pumpschalter (UNI), der mit dem Gleichrichterausgang gekoppelt ist, wodurch ein
Pumpknoten (Nl) definiert ist;
- einen Hauptenergiespeicher (STO) , der mit der dem Gleichrichterausgang abgewandten Seite des elektronischen Pumpschalters (UNI) gekoppelt ist;
- einen Wechselrichter (INV) , der zur Versorgung mit Energie aus dem Hauptenergiespeicher (STO) mit diesem gekoppelt ist, wobei der Wechselrichter (INV) ausgelegt ist, an seinem Wechselrichterausgang eine Wechselrichterspannung bereitzustellen, die eine Wechselrichterfrequenz aufweist;
- ein Pumpnetzwerk (PN) , über das der Wechselrichterausgang mit dem Pumpknoten (Nl) gekoppelt ist;
- ein Anpassnetzwerk (MN) , über das der Wechselrich¬ terausgang mit den Anschlussklemmen (J) für die min- destens eine LED gekoppelt ist, wobei das Anpass¬ netzwerk (MN) einen Resonanzkreis mit einer Eigenfrequenz aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie weiterhin umfasst: einen zweiten Gleichrichter (GR) , insbesondere einen Vollbrückengleichrichter (D7, D8, D9, DlO), der zwischen das Anpassnetzwerk (L3, C9) und die Anschluss¬ klemmen (J3, J4) für die mindestens eine LED gekoppelt ist .
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltungsanordnung weiterhin mindestens einen Koppelkondensator (C15; C16) aufweist und dass das Anpassnetzwerk (MN) einen LC-Serienresonanzkreis (L3, C9) umfasst, wobei der Gleichrichtereingang des zweiten Gleichrichters (D7, D8, D9, DlO) einerseits mit dem Hochpunkt des LC-Serienresonanzkreises und ande¬ rerseits mit dem mindestens einen Koppelkondensator (C15; C16) gekoppelt ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen das Anpassnetzwerk und die Anschlussklemmen für die mindestens eine LED ein Transformator gekoppelt ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Primärseite des Transformators mit dem Anpassnetzwerk gekoppelt ist und die Sekundärseite des Transformators mit den Anschlussklemmen für die mindestens eine LED, wobei zwischen der Sekundärseite des Transformators und den Anschlussklemmen für die mindestens eine LED ein zweiter Gleichrichter, insbesondere ein Vollbrückengleichrichter, gekoppelt ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass seriell zum Gleichrichterausgang des zweiten Gleichrichters (D7, D8, D9, DlO) und zu den Anschluss¬ klemmen (J3, J4) für die mindestens eine LED eine Induktivität (L2) angeordnet ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie weiterhin umfasst:
einen Regler (CONT) , an dessen Reglerausgang ein Stellsignal bereitstellbar ist, wobei der Reglerausgang derart mit dem Wechselrichter (INV) gekoppelt ist, dass das Stellsignal die Wechselrichterfrequenz beeinflusst .
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Reglereingang mit einer Vorrichtung (Bl) zur Messung einer Größe, die dem Strom durch die mindestens eine LED proportional ist, gekoppelt ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltungsanordnung ausgelegt ist, mehrere zwischen die Ausgangsklemmen (J3, J4) der Schaltungsanordnung in Serie geschaltete LEDs zu betreiben.
10. Betriebsverfahren zum Betrieb mindestens einer LED an einer Schaltungsanordnung mit einem ersten und einem zweiten Netzanschluss (J) zum Anschluss einer Netz- spannung, einem ersten Gleichrichter (FR) , dessen Gleichrichtereingang mit den Netzanschlüssen (J) ge¬ koppelt ist und an dessen Gleichrichterausgang die gleichgerichtete Netzspannung bereitgestellt wird, ei- nem elektronischen Pumpschalter (UNI), der mit dem Gleichrichterausgang gekoppelt ist, wodurch ein Pump¬ knoten (Nl) definiert wird, einem Hauptenergiespeicher (STO) , der mit der dem Gleichrichterausgang abgewandten Seite des elektronischen Pumpschalters (UNI) ge- koppelt ist, einem Wechselrichter (INV), der zur Ver¬ sorgung mit Energie aus dem Hauptenergiespeicher (STO) mit diesem gekoppelt ist, wobei der Wechselrichter (INV) an seinem Wechselrichterausgang eine Wechselrichterspannung bereitstellt, die eine Wechselrichter- frequenz aufweist, einem Pumpnetzwerk (PN) , über das der Wechselrichterausgang mit dem Pumpknoten (Nl) gekoppelt ist, und einem Anpassnetzwerk (MN) , über das der Wechselrichterausgang mit den Anschlussklemmen (J) für die mindestens eine LED gekoppelt ist, wobei das Anpassnetzwerk (MN) einen Resonanzkreis mit einer Eigenfrequenz aufweist.
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