WO2008104228A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zur regelung von halbleiterlichtquellen - Google Patents
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Definitions
- Circuit arrangement and method for controlling semiconductor light sources are provided.
- the invention relates to a novel control method for semiconductor light sources.
- the invention also relates to a circuit arrangement using this method.
- the method is characterized in that the current of the semiconductor light sources does not have to be measured.
- Fig. 1 shows a prior art circuit operating a load 2 with a regulated power.
- the converter used in this case is a step down converter which measures the inductor current via a current measuring device 3. This corresponds essentially to the load current.
- the current measuring device 3 outputs a signal to the control unit 1, which then controls the Wandlertransis ⁇ gate accordingly.
- the control unit 1 controls the Wandlertransis ⁇ gate accordingly.
- the measurement and control accuracy should be fully preserved.
- the object is achieved by a measuring method according to claim 1 and a circuit arrangement according to claim 3.
- the measurement method according to the invention does not require a power ⁇ measurement, and yet, the performance of semiconductor terlichtánn control with high accuracy.
- a specific property of semiconductor light sources is used.
- Semiconductor light sources such as light emitting diodes or organic light emitting diodes have the property that the light output is approximately proportional to their current. Since light-emitting diodes react very quickly, even the smallest current changes are reflected in a change in the light output. This light output is captured on ei ⁇ ne photodiode, and fed back to electrical form in the control unit 1, since the Flußspan- voltage of the diode in dependence upon the received light amount changes.
- the signal that is generated in this case follows precisely the current profile through the semiconductor light sources, and is thus qualitatively identical to a signal which is generated by a current measuring device.
- an optical control loop is produced, by means of which the power of the semiconductor light sources is kept constant.
- Control gear for lamps usually have two control loops. Since this switching power supply topologies are used for the supply of lamps, there are ei ⁇ ne inner control loop that detects the primary current, and depending drives the switching transistor of this primary current. This is necessary to keep the magnetization of the switching converter inductance in a reasonable range. Usually, the switching transistor is driven by a pulse width modulation of high frequency. This implies that this inner control loop must be very fast in order to be able to reproduce the large current transients correctly.
- a voltage is built up in an output capacitor, which is regulated to a predetermined value with an external control loop.
- the control loop may be ver ⁇ tively slow.
- the switching power supply is now modified so that is dispensed with the output capacitor. Since semiconductor light sources are operated with an impressed current, a voltage control is not useful.
- the circuit is designed as a step down converter, which has only a simple inductance instead of a transformer. As a result, the primary current flowing through the switching transistor is at the same time also the current flowing through the semiconductor sources. Therefore, the feedback loop must be able to safely measure even the fastest current changes and pass it on to the controller. The feedback loop must therefore have a certain minimum bandwidth have to ensure a safe and accurate control of Halb ⁇ leiterlichtarion.
- Fig. 1 circuit arrangement with a conventional current control loop according to the prior art.
- Fig. 2 inventive circuit arrangement with an optical feedback loop.
- Fig. 3 An embodiment of the measurement detection circuit.
- Fig. 4 shows another embodiment of the measuring blade ⁇ circuit.
- Fig. 5 shows a third embodiment of the Messer terminates ⁇ circuit.
- FIG. 2 shows an embodiment of the invention with a step-down divider, as was mentioned as state of the art in FIG. However, any other converter topology can also be used.
- the current measuring device and the feedback loop are removed here.
- the load is three semiconductor light sources 5, which are connected in series.
- the optical feedback loop is accomplished by a photodiode 4, which inputs a signal into the control unit 1, whereby the control loop closes.
- FIGS. 3 to 5 show various possibilities of constructing a measurement detection circuit. These are each composed of an operational amplifier 6 with a feedback amplifier. derstand 7 built.
- Fig. 3 is a series scarf ⁇ tion of the photodiode 4 and a resistor 14 as a Messer writtensast.
- the voltage at the node between the photodiode 4 and the resistor 14 is input to the operation amplifier. This amplifies and outputs at the output a voltage which is proportional to the amount of light passed pose ⁇ the semiconductor light source. This voltage can be used for further regulation.
- FIG. 4 shows another embodiment with a better resolution.
- the forward voltage of the photodiode is measured directly, this has the diode connected to the anode on a slightly negative potential -V ref lie ⁇ gene.
- the cathode of the diode is connected to the negative input of the operational amplifier.
- the operational amplifier outputs at the output a voltage which is proportional to the emitted light amount of the semiconductor light source ⁇ .
- the embodiment according to FIG. 5 does not have a negative potential but requires a positive voltage V re f, which is input to the positive input of the operational amplifier.
- the anode mass can be maral ⁇ tet, and the cathode as in the previous embodiment to the negative input of the operational amplifier.
- the circuit arrangement according to the invention can be operated with all operating modes of a DC-DC converter.
- the non-clipping operation of the converter comes into question, in particular the non-clipping current control operation, as already indicated in FIG. 1.
- the converter can be controlled in the kicking mode.
- the fact that the semiconductor light sources can follow the current very quickly, and the usually high operating frequency of the DC-DC converter, the semiconductor light sources are dimmed very evenly to the human eye. With this method, a dimming level of less than 1% can it be enough ⁇ readily.
Abstract
Es wird eine Schaltungsanordnung und ein Betriebsverfahren zur Regelung von Halbleiterlichtquellen vorgeschlagen, wobei das Betriebsgerät eine Rückkoppelschleife zur Regelung des abgegebenen Lichts aufweist und die Rückkopplung zur Leistungsregelung auf optischem Wege stattfindet, indem die Lichtabgabe der Halbleiterlichtquellen mit einem lichtempfindlichen Element gemessen wird.
Description
Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zur Regelung von Halbleiterlichtquellen .
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein neues Regelverfahren für Halbleiterlichtquellen. Die Erfindung betrifft auch eine die- ses Verfahren verwendende Schaltungsanordnung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass für die Regelung der Halbleiterlichtquellen nicht deren Strom gemessen werden muss.
Stand der Technik
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik, die eine Last 2 mit einer geregelten Leistung betreibt. Als Wandler wird in diesem Fall ein Tiefsetzsteiler verwendet, der über eine Strommesseinrichtung 3 den Drosselstrom misst. Dieser entspricht im wesentlichen dem Laststrom. Die Strommesseinrichtung 3 gibt ein Signal an die Steuereinheit 1 aus, die dann den Wandlertransis¬ tor entsprechend steuert. Bei solchen Schaltungstopolo- gien ist eine Strommessung aber recht aufwendig zu reali¬ sieren, da an solch einer Messstelle z.B. nicht gegen Masse gemessen werden kann. Bei einer Shuntmessung müssen zwei Spannungen mittels eines Differenzmessgliedes er- fasst werden. Dies ist sehr aufwendig, und entsprechend teuer fallen die Realisierungen aus.
Aufgabe
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messverfahren anzugeben, dass weniger aufwendig und daher günstiger in der Ausführung ist. Die Mess- und Regelgenauigkeit soll dabei voll erhalten bleiben.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messverfahren nach dem Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung nach dem Anspruch 3.
Das Erfindungsgemäße Messverfahren kommt ohne eine Strom¬ messung aus, und kann trotzdem die Leistung der Halblei- terlichtquellen mit einer hohen Genauigkeit regeln. Dazu wird eine bestimmte Eigenschaft von Halbleiterlichtquel¬ len benützt. Halbleiterlichtquellen, wie z.B. Leuchtdioden oder auch Organische Leuchtdioden besitzen die Eigenschaft, dass die Lichtabgabe annähernd proportional zu deren Strom ist. Da Leuchtdioden sehr schnell reagieren, drücken sich auch kleinste Stromänderungen in einer Änderung der Lichtabgabe aus. Diese Lichtabgabe wird über ei¬ ne Photodiode eingefangen, und wieder in elektrischer Form der Steuereinheit 1 zugeführt, da sich die Flußspan- nung der Diode in Abhängigkeit von der aufgenommenen Lichtmenge ändert. Das Signal, dass dabei erzeugt wird, folgt genau dem Stromverlauf durch die Halbleiterlicht¬ quellen, und ist somit qualitativ identisch zu einem Signal, das von einer Strommesseinrichtung generiert wird. Somit entsteht sozusagen eine optische Regelschleife, mittels derer die Leistung der Halbleiterlichtquellen konstant gehalten wird.
Betriebsgeräte für Leuchtmittel haben üblicherweise zwei Regelschleifen. Da hier Schaltnetzteiltopologien für die Versorgung der Leuchtmittel verwendet werden, gibt es ei¬ ne innere Regelschleife, die den Primärstrom erfasst, und abhängig von diesem Primärstrom den Schalttransistor ansteuert. Dies ist notwendig, um die Aufmagnetisierung der Schaltwandlerinduktivität in einem sinnvollen Bereich zu halten. Üblicherweise wird der Schalttransistor mit einer Pulsweitenmodulation hoher Frequenz angesteuert. Dies setzt voraus, dass diese innere Regelschleife sehr schnell sein muss, um die großen Stromtransienten korrekt wiedergeben zu können. Auf der Sekundärseite wird eine Spannung in einem Ausgangskondensator aufgebaut, die mit einer äußeren Regelschleife auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird. Dadurch, dass ein Takt auf der Primärseite nur eine sehr kleine Änderung der Ausgangsspannung auf der Sekundärseite verursacht, kann die Regelschleife ver¬ gleichsweise langsam sein.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das Schaltnetzteil nun so abgewandelt, dass auf den Ausgangskondensator verzichtet wird. Da Halbleiterlichtquellen mit einem eingeprägten Strom betrieben werden, ist eine Spannungssteuerung nicht sinnvoll. Die Schaltung ist als Tiefsetzsteiler ausgeführt, der anstatt eines Transformators nur eine einfache Induktivität besitzt. Dies hat zur Folge, dass der durch den Schalttransistor fließende Primärstrom gleichzeitig auch der durch die Halbleiterquellen fließende Strom ist. Deshalb muss die Rückkoppelschleife in der Lage sein, auch schnellste Stromänderungen sicher zu messen und an die Steuerung weiterzugeben. Die Rückkoppelschleife muss hier also eine gewisse Mindestbandbreite
besitzen, um eine sichere und genaue Regelung der Halb¬ leiterlichtquellen zu gewährleisten.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
Fig. 1 Schaltungsanordnung mit einer konventionellen Stromregelschleife nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer optischen Rückkoppelschleife.
Fig. 3 Eine Ausführungsform der Messerfassungsschaltung.
Fig. 4 Eine weitere Ausführungsform der Messerfassungs¬ schaltung.
Fig. 5 Eine dritte Ausführungsform der Messerfassungs¬ schaltung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Tiefsetzsteiler, wie er als Stand der Technik in Fig. 1 genannt wurde. Es kann aber auch jede andere Wandlertopo- logie verwendet werden. Die Strommesseinrichtung und die Rückkoppelschleife sind hier entfernt. Als Last dienen drei Halbleiterlichtquellen 5, die in Serie geschaltet sind. Die optische Rückkoppelschleife wird durch eine Photodiode 4 bewerkstelligt, die ein Signal in die Steu- ereinheit 1 eingibt, wodurch sich der Regelkreis schließt .
Figuren 3 bis 5 zeigen verschiedene Möglichkeiten eine Messerfassungsschaltung aufzubauen. Diese sind jeweils aus einem Operationsverstärker 6 mit einem Rückkoppelwi-
derstand 7 aufgebaut. In Fig. 3 dient eine Serienschal¬ tung aus der Photodiode 4 und einem Widerstand 14 als Messerfassungsast. Die Spannung am Knotenpunkt zwischen der Photodiode 4 und dem Widerstand 14 wird in den Opera- tionsverstärker eingegeben. Dieser verstärkt sie und gibt am Ausgang eine Spannung aus, die proportional zur abge¬ gebenen Lichtmenge der Halbleiterlichtquelle ist. Diese Spannung kann für die weitere Regelung verwendet werden.
In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform mit einer bes- seren Auflösung dargestellt. Hier wird die Flußspannung der Photodiode direkt gemessen, dazu muss die Diode mit der Anode auf einem leicht negativen Potential -Vref lie¬ gen. Die Kathode der Diode wird an den negativen Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen. Der Operations- Verstärker gibt am Ausgang eine Spannung aus, die proportional zur abgegebenen Lichtmenge der Halbleiterlicht¬ quelle ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 kommt ohne ein negatives Potential aus, benötigt dafür eine positive Spannung Vref, die in den positiven Eingang des Operationsverstärkers eingegeben wird. Dafür kann die Anode auf masse geschal¬ tet werden, und die Kathode wie in der vorigen Ausführungsform an den negativen Eingang des Operationsverstärkers .
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann mit allen Betriebsmodi eines Gleichspannungswandlers betrieben wer¬ den. Für einen Betrieb mit Nennleistung der Halbleiterlichtquellen kommt vor allem der nichtlückende Betrieb des Wandlers in Frage, insbesondere der nichtlückende Stromregelbetrieb, wie er schon in Fig. 1 angegeben ist.
Sollen die Halbleiterlichtquellen gedimmt betrieben werden, so kann der Wandler kontrolliert in den Kickenden Betrieb gefahren werden. Dadurch, dass die Halbleiterlichtquellen dem Strom sehr schnell folgen können, und durch die üblicherweise hohe Betriebsfrequenz der Gleichspannungswandler werden die Halbleiterlichtquellen für das menschliche Auge sehr gleichmäßig gedimmt. Mit dieser Methode kann ohne weiteres ein Dimmpegel von unter 1% er¬ reicht werden.
Claims
1. Betriebsverfahren zur Regelung von Halbleiterlichtquellen mit einem geeigneten Betriebsgerät, dass ei¬ ne Rückkoppelschleife zur Regelung des abgegebenen Lichts aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplung auf optischem Wege stattfindet, indem die Lichtabgabe der Halbleiterlichtquellen gemessen wird.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgerät einen Gleichspan- nungswandler enthält, der mittels der optischen Rückkoppelschleife den Strom der Halbleiterlichtquellen regelt .
3. Schaltungsanordnung zur Regelung von Halbleiterlichtquellen mit einer Betriebsschaltung zur Erzeugung ei- ner Ausgangsleistung für die Halbleiterlichtquellen und einer Rückkoppelschleife zur regelung der Aus¬ gangsleistung, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkoppelschleife durch ein lichtempfindliches Element geschlossen wird, dass die von den Halbleiterlicht- quellen abgegebene Lichtmenge misst.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Element eine Photodiode ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlicht¬ quellen aus Leuchtdioden (LEDs) gebildet werden.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlicht¬ quellen aus organischen Leuchtdioden (OLEDs) gebildet werden .
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum erreichen der vollen Lichtleistung der Wandler im nichtlücken- den Betrieb betrieben wird.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine effi¬ ziente Betriebsweise der Wandler im nichtlückenden Strombetrieb betrieben wird.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum dimmen der Halbleiterlichtquellen der Wandler im lückenden Betrieb betrieben wird.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkoppelschlei¬ fe eine Bandbreite besitzen muss, um die Rückkopp- lungssignale in ihrem relevanten Frequenzspektrum zu verarbeiten .
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die korrekte Funktion des Wandlers ein Rückkoppelsignal mit Frequenzanteilen bis 1 MHz notwendig ist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die korrekte Funktion des Wandlers ein Rückkoppelsignal mit Frequenzanteilen bis 10 MHz notwendig ist.
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