ELEKTRONISCHE SCHALTUNG ZUR UMWANDLUNG EDVER NETZLEUCHTE IN EINE NOTLEUCHTE
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Schaltungen für Notbeleuchtungen, und insbesondere auf eine elektronische Schaltung zur Umwandlung einer Netzleuchte in eine Notleuchte.
STAND DER TECHNIK
Bei der Notbeleuchtung eines Gebäude müssen die Rettungswege nicht nur gekennzeichnet sondern auch beleuchtet sein. Aus diesem Grund gibt es so genannte Notlichtelemente, mit denen normale Leuchten nicht nur als Netz- sondern auch als Notleuchten umgebaut bzw. verwendet sein können. Mit solchen Notelementen wird das Leuchtmittel im Fall eines Netzausfalls vom im Netzbetrieb verwendeten Konverter getrennt, und über das Notelement bzw. eine aus dem Akku erzeugten Spannung versorgt. Solche Notelemente sind für alle Leuchtmittel bekannt (z.B. Leuchtstoffröhren und Halogen-Lampen) und werden von sehr vielen Herstellern produziert.
Heute werden immer mehr LED-Leuchten in Gebäude installiert, d.h. Leuchten in denen Leuchtdioden (LED) als Leuchtmittel verwendet werden. Für den Umbau bzw. die Anwendung einer solchen Leuchte als Notleuchte, mit welcher die
Rettungswege beleuchtet werden können, gibt es zur Zeit kein universelles
Notlichtelement, welches die in der Leuchte für den Netzbetrieb bestimmten Leuchtdioden auch im Notbetrieb versorgen kann.
Problematik: Es gibt kombinierte Geräte, welche eine bestimmte LED-Anordnung sowohl im Netz- als auch im Notbetrieb speisen können. Diese bestimmte LED-Anordnung ist selten mit der LED-Anordnung der LED-Leuchte kompatibel, welche für den normalen Netzbetrieb verwendet wird. Dies bedeutet, dass zusätzliche Leuchtdioden in die LED-Leuchte für den Notbetrieb eingebaut werden müssen.
Für mit konstanter Spannung versorgte LED-Leuchten gibt es auch die Möglichkeit, eine aus einem Akku gespeiste Gleichstrom-Versorgung im Notbetrieb zu verwenden. In diesem Fall ist es aber schwierig, die im Notbetrieb verbrauchte Leistung der Leuchtdioden zu reduzieren. Dementsprechend müssen die Akkus überdimensioniert werden.
WO 2006/030432 Al beschreibt eine Leuchte mit einer integrierten Batterie, welche über einen ebenfalls integrierten Wandler wahlweise aus dem Netz (Netzbetrieb) oder aus der Batterie (Notbetrieb) gespeist wird. Die Wandlerschaltung für Netz- und Notbetrieb ist dieselbe, und ist auf das verwendete Leuchtmittel ausgelegt.
DE 10 2006 030 655 Al offenbart eine Wandlerschaltung für ein LED-Notlichtgerät. Auch hier ist die Wandlerschaltung für Netz- und Notbetrieb dieselbe, und ist auf das verwendete Leuchtmittel ausgelegt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Schaltung zur Umwandlung einer bestehenden Netzleuchte in eine Notleuchte der eingangs genannten Art zu
schaffen, sowie eine Netzleuchte mit einer solchen Schaltung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltung, welche die genannten Nachteile beheben.
Diese Aufgabe lösen eine elektronische Schaltung ("Notlichtelement") zur Umwandlung einer bestehenden Netzleuchte in eine Notleuchte mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, eine Netzleuchte gemäss Anspruch 9, und ein Verfahren gemäss Anspruch 10.
Das Notlichtelement weist also auf: - einen Netzanschluss für eine Versorgung aus einem elektrischen Netz;
- einen Akku-Anschluss zum Anschluss an einen Akku;
- einen Netzkonverter-Anschluss zum Anschluss an einen Ausgang eines Netzkonverters der bestehenden Netzleuchte; einen LED-Anschluss zum Anschluss an eine LED-Anordnung der bestehenden Netzleuchte; wobei das Notlichtelement, je nachdem, ob eine Netzspannung vorliegt oder nicht, in einem Netzbetrieb und einem Notbetrieb betreibbar ist, und ferner aufweist: ein Ladegerät, zum Aufladen eines am Akku-Anschluss angeschlossenen Akkus im Netzbetrieb und zur Erfassung eines Netzzustandes, einen Notkonverter, welcher dazu vorgesehen ist, im Notbetrieb als Eintakt-Sperrwandler oder als Hochsetzsteller (boost Converter) zu arbeiten und dabei eine Akkuspannung in eine geglättete Ausgangsspannung umzuwandeln, - ein Umschaltrelais, mit welchem der LED-Anschluss im Notbetrieb mit den
Notkonverter und im Netzbetrieb mit den Netzkonverter-Anschluss verbindbar ist, und eine elektronische Steuerung, welche dazu ausgelegt ist, den Netzzustand zu überwachen, die Umschaltung vom Netz- zu Notbetrieb und vom Not- zu
Netzbetrieb zu steuern, und dazu den Notkonverter und das Umschaltrelais anzusteuern, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, im Notbetrieb die Eingangsleistung des Notkonverters, d.h. die am Akku-Anschluss aus dem Akku entnommene Leistung zu regeln.
Die Netzleuchte - in ihrer Funktion als Netzleuchte - weist die folgenden Elemente auf: ein Leuchtmittel, welches zu einer LED-Anordnung zusammen geschaltete Leuchtdioden (LED) aufweist,
- einen Netzkonverter, welcher diese LED-Anordnung aus einem speisenden Netz über einen Netzschalter mit den für diese LED-Anordnung geeigneten Strom und Spannung im Netzbetrieb versorgt,
Die Netzleuchte weist in ihrer Funktion als Notleuchte die folgenden Elemente aufweist: die LED-Anordnung, den Netzkonverter, einen Akku, aus welchem im Notbetrieb, d.h. im Fall eines Netzausfalles, die Energie für die Beleuchtung entnommen wird, ein Notlichtelement, welches eine elektronische Schaltung aufweist;
wobei die elektronische Schaltung die folgenden Elemente aufweist: ein Ladegerät, welches den Akku im Netzbetrieb lädt und welches zur Erfassung eines Netzzustandes ausgebildet ist, einen Notkonverter, der nicht mit dem Netzkonverter identisch ist, und welcher dazu vorgesehen ist, im Notbetrieb als Ei ntakt- Sperrwand ler oder als Hochsetzsteller (boost Converter) zu arbeiten und dabei die Akkuspannung in eine geglättete Ausgangsspannung umzuwandeln,
wobei eine vom Notkonverter an die LED-Anordnung im Notbetrieb gelieferte Ausgangsleistung kleiner ist als die vom Netzkonverter im Netzbetrieb gelieferte Ausgangsleistung, und wobei eine vom Notkonverter gelieferte Ausgangsspannung grösser als die für die LED-Anordnung erforderliche Durchlass-Spannung ist, ein Umschaltrelais, mit welchem die LED-Anordnung im Notbetrieb an den Notkonverter und im Netzbetrieb an den für den Netzbetrieb vorgesehenen Netzkonverter anschliessbar ist, und eine elektronische Steuerung, welche dazu ausgelegt ist, den Netzzustand zu überwachen, die Umschaltung vom Netz- zu Notbetrieb und vom Not- zu
Netzbetrieb zu steuern, und dazu den Notkonverter und das Umschaltrelais anzusteuern, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, im Notbetrieb die Eingangsleistung des Notkonverters, d.h. die aus dem Akku entnommene Leistung zu regeln, und damit den Einsatz des Notlichtelementes in unterschiedlichen aus Leuchtdioden gebauten Netzleuchten ermöglicht.
Mit der Erfindung ist es möglich, ein universelles Gerät als Notlichtelement zu bauen, mit welchem jede LED-Leuchte in eine Notleuchte ungewandelt werden kann. Das Notlichtelement kann also als universelles, eigenständiges Gerät hergestellt werden, und kann als Zusatzgerät in eine bestehende LED-Leuchte eingebaut werden. Dabei wird es über mindestens den Netzkonverter-Anschluss und den LED-Anschluss mit der bestehenden Netzleuchte verbunden. Die Erfindung verwendet bewährte Technologien, nämlich Relais-Kontakte, um Verbindungen zu trennen, und einen Eintakt-Sperrwandler oder Hochsetzsteller, um die LED- Anordnung ab einer Akku-Spannung zu versorgen. Dieser Eintakt-Sperrwandler oder Hochsetzsteller regelt die aus dem Akku entzogene Leistung, und ermöglicht dementsprechend einen Einsatz für praktisch jede LED-Anordnung.
Die universelle Ersetzbarkeit der Schaltung ist ein Resultat der Kombination der verschiedenen Merkmale der Erfindung: unter anderem erlaubt das Umschaltrelais die Verwendung des Netzkonverters einer schon bestehenden Leuchte für den Normalbetrieb; die Leistungsregelung des Notkonverters ist zwar aufwändiger als bei einer Schaltung, die für eine Leuchtdiodenanordnung mit bekannten Parametern verwendet werden könnte, dafür erlaubt sie den Einsatz der Schaltung mit quasi beliebigen Leuchtdiodenanordnungen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer elektronischen Schaltung für die Umwandlung einer Netzleuchte in eine Notleuchte;
Figur 2 Details des darin eingesetzten Konverters.
Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In der Figur 1 ist eine mögliche Realisierung der Erfindung skizziert: Eine LED- Leuchte gemäss dem Stand der Technik weist einen Konverter, im Folgenden
Netzkonverter 1 genannt, und eine oder mehrere in einer LED-Anordnung eingebaute Leuchtdioden 2 auf. Die LED-Leuchte wird von der Netzspannung 3 über einen Schalter 4 ein- bzw. ausgeschaltet. Erfindungsgemäss liegt ein Notlichtelement 5 mit einem Notkonverter 8 vor, welches in die Leuchte zusammen mit einem Akku 6 eingebaut werden kann, um die Leuchte als Notleuchte zu verwenden. Mit dem Notlichtelement 5 kann praktisch jede LED-Leuchte bzw. jede LED- Anordnung 2 im Notbetrieb gespeist werden, unabhängig vom Konverter 1, welcher für den Netzbetrieb vorgesehen ist. Die einzige Begrenzung liegt in der Spannung der LED- Anordnung, wie anschliessend in der detaillierten Beschreibung des Notkonverters 8 erklärt wird.
Beschreibung des Notlichtelementes 5:
Das Notlichtelement 5 ist dazu vorgesehen,
■ an einem Netzanschluss A3 an ein Netz 3 angeschlossenen zu werden; " an einem Akkuanschluss A6 an einen Akku 6 angeschlossenen zu werden;
■ an einem Netzkonverter- Anschluss Al an den Ausgang eines Netzkonverters 1 angeschlossenen zu werden;
■ an einem LED-Anschluss A2 an eine LED-Anordnung 2 zu deren Speisung angeschlossenen zu werden; " an einem Netzanschluss A3 an ein Netz 3 angeschlossenen zu werden;
■ an einem Trenn- Anschluss AlO in mindestens einen Ast des Eingangs (zur Speisung) des Netzkonverters 1 angeschlossenen zu werden;
■ (optional) an einem Signalanschluss Al 9 eine LED 18 oder ein anderes Anzeigemittel anzusteuern Die verschiedenen Anschlüsse sind in der Regel jeweils zweipolig.
Das Notlichtelement 5 weist die folgenden Komponenten auf:
Ladegerät 11: Dieses Ladegerät ist ein herkömmliches Ladegerät, welches den Akku 6 nach einem Netzausfall wieder aus dem Netz 3 lädt. Vorzugsweise wird
dieses Ladegerät 1 1 als getaktetes Netzteil gebaut, um die Abmessungen zu reduzieren bzw. den Wirkungsgrad zu erhöhen. Für solche niedrige Leistungen wie bei einer Akku-Ladung sind Eintakt-Sperrwandler oder Hochsetzsteller (boost Converter) am besten geeignet. Mittels des Ladegerätes 1 1 wird auch das Netz 3 überwacht. Ein Signal 12 wird generiert, welches den Netzzustand nachbildet. Das Signal ist vorzugsweise eine monoton steigende Funktion der Netzspannung, beispielsweise proportional zur Netzspannung oder zum Quadrat oder zur Wurzel der Netzspannung.
Notkonverter 8: Dieser Konverter arbeitet als Eintakt-Sperrwandler oder als Hochsetzsteller. Im Fall eines Netzausfalls wird durch diesen Notkonverter 8 die Akku-Spannung in eine für die LED-Anordnung 2 geeignete Ausgangsspannung 13 umgewandelt, welche gleich der LED-Spannung über der LED-Anordnung 2 ist. Die detaillierte Beschreibung dieses Konverters ist unten angegeben.
Umschaltrelais 9: Mit diesem Relais wird die LED-Anordnung im Netzbetrieb mit dem Netzkonverter 1 bzw. im Notbetrieb mit dem Notkonverter 8 verbunden. Vorzugsweise realisiert es eine zweipolige Umschaltung, d.h. es liegen zwei Umschalter vor, je einer für den positiven und einer für den negativen Anschluss der LED- Anordnung 2.
Trennrelais 10: Mit diesem Relais kann der Netzkonverter 1 der LED-Leuchte ein- bzw. ausgeschaltet werden. Im Notbetrieb, wenn die LED-Anordnung 2 vom Notkonverter 8 aus dem Akku versorgt wird, wird der Netzkonverter 1 durch das Trennrelais 10 vom Netz getrennt. Dadurch wird vermieden, dass der Netzkonverter 1 nach einem Netzrückkehr die LED-Anordnung 2 zu versorgen versucht. Dabei ist möglicherweise diese LED-Anordnung 2 immer noch durch die Relais-Kontakte des Umschaltrelais 9 vom Netzkonverter 1 getrennt.
Durch die Verwendung des Trennrelais 10 wird sichergestellt, dass nach einer Netzrückkehr die LED-Anordnung 2 zuerst vom Notkonverter 8 getrennt wird bzw. mit dem Netzkonverter 1 verbunden wird, und erst dann der Netzkonverter 1 wieder vom Netz 3 versorgt wird.
Durch die Verwendung des Trennrelais 10 wird auch sichergestellt, dass bei einem Netzausfall der Netzkonverter 1 zuerst vom Netz 3 getrennt wird, und erst dann die LED-Anordnung 2 mit dem Notkonverter 8 verbunden wird. Dadurch wird vermieden, dass die LED-Anordnung 2 kurz vor, kurz nach oder während der Umschaltung des Umschaltrelais 9 von Netzkonverter 1 und Notkonverter 8 versorgt wird.
Grundsätzlich kann, falls der Netzkonverter 1 über einen Steuereingang zum Ausschalten verfügt, anstelle des Trennrelais auch ein Relais oder eine Steuerleitung zum Übermitteln eines Signal zum Ausschalten des Netzkonverters 1 vorliegen.
Steuerung 7: Diese elektronische Steuerung wird vorzugsweise durch einen Mikrocontroller realisiert, beziehungsweise durch einen Mikroprozessor oder einen ASIC etc. Die folgenden Aufgaben werden vorzugsweise durch diesem Mikrocontroller wahrgenommen:
Netzüberwachung: Das Signal 12, welches das Netz nachbildet, wird vom Mikrocontroller 7 gemessen und mit einem minimalen Wert verglichen. Wenn das Signal diesen Wert unterschreitet, wird das Netz als fehlerhaft erkannt und dementsprechend der Notbetrieb aktiviert.
Steuerung des Umschaltrelais 9 und des Trennrelais 10: Die Umschaltung vom Netz- auf Notbetrieb erfolgt zuerst durch die Abschaltung des Trennrelais 10. Dadurch wird der Netzkonverter 1 eingangsseitig stromlos. Dann ist eine Zeitverzögerung vorzusehen, da der Netzkonverter 1 die LED-Anordnung 2 über seine eigene Innen-Kapazität eine Zeit lang auch ohne Netz versorgen kann.
Diese Zeitverzögerung beträgt typischerweise 200ms. Nach dieser Zeitverzögerung wird durch die Steuerung 7 das Umschaltrelais 9 umgeschaltet. Danach kann die LED-Anordnung vom Notkonverter 8 versorgt werden.
Die Umschaltung vom Not- auf Netzbetrieb erfolgt in der umgekehrten
Reihenfolge. D.h., dass nach der Abschaltung vom Notkonverter 8 und nach einer bestimmten Zeitverzögerung das Umschaltrelais 9 umgeschaltet, und erst dann das Trennrelais 10 eingeschaltet wird. Eine Zeitverzögerung — typischerweise 20ms - zwischen diesen beiden Schalthandlungen muss auch vorgesehen werden, da die Relais-Kontakte nach der Relais-Steuerung prellen können.
Überwachung der LED-Anordnung 2: Bei der LED-Anordnung 2 werden vorzugsweise die LED-Spannung 13 an einem Spannungsteiler 27 der LED- Spannung und der LED-Strom 14 durch den Mikrocontroller überwacht, um den
Zustand der LED-Anordnung zu ermitteln und den Notkonverter 8 zu schützen. Da dieser Konverter als Stromquelle arbeitet, könnte die LED-Spannung 13 unbegrenzt, oder zumindest bis auf gefährliche Werte steigen, wenn die LED- Anordnung 2 fehlerhaft ist oder nicht angeschlossen ist. Die Begrenzung der LED-Spannung 13 kann durch die Steuerung 7 oder durch eine Schutz-Schaltung im Notkonverter 8 realisiert werden.
Steuerung des Notkonverters 8: Da der Notkonverter 8 als Eintakt-Sperrwandler (Flyback Converter) oder als Hochsetzsteller (boost Converter) arbeitet, ist es möglich, die dazu benötige Steuerung mittels des Mikrokontrollers 7 zu realisieren: Mit einem im Mikrocontroller 7 intern generierten PWM-Signal 15 (pulsbreitenmoduliertes Signal) wird der Transistor des Notkonverters 8 gesteuert. Eine detaillierte Beschreibung dieser Steuerung ist unten angegeben.
Überwachung des Akku 6: Die Akku-Spannung 16 wird vom MikroController 7 gemessen bzw. überwacht. Mit der Überwachung wird geprüft, ob der Akku 6 im Netzbetrieb richtig geladen wird. Im Notbetrieb, d.h., wenn der Akku 6 sich entlädt, wird er gegen Tiefentladung geschützt. D.h., dass der Notbetrieb unter einer gewissen Akku-Spannung, z.B. 0.9V pro Zelle bei NiCd-Zellen, unterbrochen und der aus dem Akku 6 entzogene Strom auf einen minimalen Wert reduziert wird.
Vorzugsweise wird aufgrund der Messung der Akku-Spannung der Notkonverter 8 im Notbetrieb gesteuert. D.h., dass der Ausgang-Strom des Notkonverters 8 in
Abhängigkeit der Akku-Spannung 16 geregelt wird. Es ist auch möglich, mit dieser Akku-Spannung-Messung das Ladeverfahren des Akkus 6 zu steuern. Dies erfolgt über ein Signal 17, entsprechend der Akkuspannung welches durch einen
Spannungsteiler 34 erfasst werden kann und das Ladegerät 1 1 steuern kann, beispielsweise zur Anpassung von Ladespannung und/oder Ladestrom.
Notlichtelement-Zustands- Anzeige 18: Mit dem Mikrocontroller 7 wird auch die Schnittstelle zu einem Benutzer gesteuert. Auf der Figur 1 ist eine einfache LED 18 skizziert, welche über das Signal 19 versorgt ist. Es ist natürlich möglich, andere optische Anzeigen oder akustische Warnungen mit dem Mikrocontroller 7 zu steuern, bzw. Informationen bezüglich dem Zustand des Notelements beispielsweise über Kommunikations-Bus- Verbindungen zu übermitteln.
Detaillierte Beschreibung des Notkonverters 8:
Technologie des Notkonverters 8
In der Figur 2 ist eine beispielhafte Schaltung für den Notkonverter 8 dargestellt.
Dieser Konverter arbeitet als als Hochsetzsteller (boost Converter). Diese
Technologie ist seit langer Zeit bekannt. Der Konverter besteht hauptsächlich aus den folgenden Komponenten: einem Transistor 22, beispielsweise ein Mosfet- oder
ein Bipolartransistor, einer Induktivität 21 , einer Diode 23 und einem Kondensator 26. Mit dem aus dem Mikrocontroller 7 generierten Steuersignal 15 wird der Transistor 22 ein- bzw. ausgeschaltet. Dieses Steuersignal 15 wird üblicherweise als PWM-Signal 15 (pulsbreitenmoduliertes Signal) aufgebaut, da solche Signale mit den meisten Mikrocontrollern erzeugt werden können. Wenn der Transistor 22 eingeschaltet ist, fliesst der Strom aus dem Akku 6 in die Induktivität 21 durch den Transistor 22. Wenn der Transistor 22 ausgeschaltet ist, fliesst der Strom aus dem Akku 6 durch die Induktivität 21 , welche dann als Generator arbeitet, und durch die Diode 23 in den Kondensator 26, um die Ausgangsspannung 13 zu generieren. Da die LED- Anordnung 2 mit LEDs gebaut ist, fliesst der Strom in diese LED- Anordnung 2 erst dann, wenn die Ausgangsspannung 13 höher als die Durchlass- Spannung der LED-Anordnung 2 ist. Der Ausgang-Strom des Notkonverters 8 fliesst dann in die LED-Anordnung 2 und in den Widerstand 28, welcher als Shunt dient, und mit welchem dieser Strom - wenn nötig über einen Verstärker 29 — als Stromsignal 30 vom Mikrocontroller 7 gemessen sein kann. Es gibt auch andere Möglichkeiten, wie Hall-Effekt Sensoren usw., um diesen Strom zu messen.
Steuerung des Notkonverters 8:
Die Ausgangsleistung des Notkonverters 8, welche in die LED-Anordnung 2 geliefert wird, wird berechnet als das Produkt vom Ausgangsstrom mal Ausgangsspannung 13. Die Eingangsleistung des Notkonverters 8, welche vom Akku 6 geliefert wird, wird berechnet als das Produkt vom Akkustrom mal Akkuspannung 17.
Bei der Steuerung des Notkonverters 8 wird diese Eingangsleistung geregelt. Unter Regelung ist insbesondere die Regelung auf einen vorgegebenen Wert zu verstehen (im Gegensatz zu z.B. lediglich einer Begrenzung). Dafür sind die folgenden Strategien möglich:
• Bei der ersten bevorzugten Variante wird die Ausgangsleistung über die durch die Widerstandsbrücke 27 erfolgte Messung der Ausgangsspannung 13 und über die Messung des Stromsignales 30, entsprechend dem
Ausgangsstrom, vom MikroController 7 berechnet. Dadurch kann die Eingangsleistung berechnet werden, da beide Leistungen sich nur durch den Wirkungsgrad des Notkonverters 8 unterscheiden. Dieser Wirkungsgrad ist natürlich von der Ausgangsleistung, der Ausgangsspannung 13 — da der Spannungsabfall in der Diode 23 konstant ist und dadurch mehr Einfluss bei niedrigeren Ausgangsspannungen 13 hat - und von der Temperatur abhängig. Da alle Einflüsse vom Mikrocontroller 7 gemessen werden bzw. gemessen werden können, ist der Wirkungsgrad des Notkonverters 8 berechenbar und steuerbar oder regelbar.
In dieser Variante wird das PWM-Signal 15 über eine Rampe gestartet, d.h. langsam ansteigend. Die Ausgangsspannung 13 steigt kontinuierlich, bis der Strom in die LED-Anordnung 2 fliessen kann. Sobald dieser Strom fliesst, wird er vom Mikrocontroller 7 gemessen und kann die Ausgangsleistung berechnet werden. Dadurch kann die Eingangsleistung-Regelung über eine digitale Regelung erfolgen; mit oder ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrads des Notkonverters 8.
Bei einer zweiten bevorzugten Variante wird die Eingangsleistung über die durch die Widerstandsbrücke 34 erfolgte Messung der Akkuspannung 17 und über eine durch einen Hall-Effekt-Sensor 31 und einen Verstärker 32 erfolgte
Messung 33 des Akkustromes vom Mikrocontroller 7 berechnet. Der aus dem
Akku 6 im Notbetrieb entzogene Strom kann auch über einen Shunt-
Widerstand oder eine andere Mess-Technologie z.B. Drainspannungs- messung im eingeschalteten Zustand eines Mosfet-Transistors an den
Mikrocontroller 7 übermittelt werden.
Auch in dieser Variante wird das PWM-Signal 15 über eine Rampe gestartet, d.h. langsam steigend. Die Ausgangsspannung 13 steigt kontinuierlich, bis der Strom in die LED-Anordnung 2 fliessen kann. Sobald dieser Strom fliesst, steigt der Akkustrom bzw. die Eingangsleistung des Notkonverters 8.
Die Eingangsleistung-Regelung kann dann über eine digitale Regelung erfolgen.
Bei einer dritten bevorzugten Variante der Steuerung wird auf alle Strommessungen verzichtet. In dieser Variante wird der Konverter nur im so genannten diskontinuierlichen Modus gesteuert. D.h., dass der maximale Wert für das P WM-Signal bzw. die in der Induktivität bei jedem Takt maximale gespeicherte Energie in Abhängigkeit der beiden Akku- 17 und Ausgangsspannungen 13 begrenzt wird, so dass der Strom nach der Entladung der Induktivität 21 in den Kondensator 26 bzw. in die LED-
Anordnung 2 bei jedem Takt zumindest annähernd und idealerweise ganz auf Null absinkt. Wenn der Transistor 22 eingeschaltet ist, fliesst der Strom aus dem Akku in die Induktivität 21 (mit Wert L). Da der MikroController 7 die Einschaltdauer (T0n) des Transistors 22 steuert, ist es für ihn möglich, den maximalen Wert (Imax) des Akkustromes anhand der Akkuspannung 17 (Ubat) zu berechnen, weil dieser Strom, solange die Induktivität 21 nicht gesättigt ist, als Rampe kontinuierlich ansteigt: Damit gilt Imax = Ubat " T0n / L. Aus dem gleichen Grund ist der Durchschnittwert des Stromes, während dieser Einschaltdauer, gleich der Hälfte des maximalen Wertes Imax. Sobald der Transistor 22 abgeschaltet wird, fliesst der Strom aus dem Akku durch die
Induktivität 21 und die Diode 23 in den Kondensator 26 und in die LED- Anordnung 2. Da dieser Strom als Rampe kontinuierlich absinkt, ist es für den MikroController 7 möglich, die Dauer (Tab) dieser Rampe anhand des maximalen Wertes (Imaλ) des Akkustromes und der Akkuspannung (Ubat) 17 und der Ausgangsspannung (Uout) 13 zu berechnen. Es gilt damit: Tab = L •
Imax / (Uout-Ubat). Dabei wird angenommen, dass die Durchlassspannung der Diode 23 vernachlässigbar ist. Mit den berechneten Werten Imax und Tab ist es für den Mikrocontroller 7 möglich, den Durchschnittwert (Imean) des Akkustromes zu berechnen, weil der Mikrocontroller 7 die Taktfrequenz bzw. deren Periode (T) steuert. Es folgt: Imean = (Imax/2) • ((Ton+Tab)/T). Die aus
dem Akku entnommene Leistung, welche als Eingangsleistung des Konverters 8 bezeichnet wird, kann dadurch berechnet werden als Imean 'LW
Nur die Ausgangsspannung 13 und die Akkuspannung 17 werden durch die Widerstandsbrücke 27 bzw. 34 vom MikroController 7 gemessen. In diesem
Mikrocontroller wird eine Tabelle mit PWM- Werten programmiert. Da die Eingangsleistung durch diese Messungen berechenbar ist, ist es möglich, eine solche Tabelle im voraus oder bei einer Prüfung des Konverters, beispielsweise bei seiner Inbetriebnahme, in den Mikrocontroller 7 zu programmieren. Anhand der Messungen der beiden Ausgangs- 13 und
Akkuspannungen 17 wird im Betrieb der für die Steuerung benötigte PWM- Wert in der Tabelle des MikroControllers 7 gesucht und für die Eingangsleistungs-Regelung verwendet.
Auch in dieser Variante wird das PWM-Signal 15 über eine Rampe bis auf einen sehr niedrigen Wert gestartet oder wird sofort auf diesen minimalen Wert gesetzt. Da die Induktivität 21 im ausgeschalteten Zustand des Transistors 22 als Stromquelle arbeitet, steigt die Ausgangsspannung 13, bis der Strom in die LED-Anordnung 2 fliessen kann, auch bei einem sehr niedrigen PWM- Wert. Die Ausgangsspannung wird dann gemessen. Anhand dieser ersten Messung bzw. der Akkuspannungsmessung kann ein erster P WM- Wert in der Tabelle des Mikrocontrollers 7 gesucht und für die Eingangsleistung-Regelung verwendet werden. Stufenweise wird der für die Eingangsleistung-Regelung benötigte endgültige Wert gesucht und verwendet.
Eine solche einfache Regelung ist bekannt als "look ahead regulation". Die Vorteile einer solchen Regelung sind:
Der Mikrocontroller 7 muss sehr wenig berechnen, da alle Berechnungen im voraus durchgeführt wurden.
Die einzigen benötigten Messungen sind Spannungsmessungen, welche sehr einfach realisierbar sind.
Schutz und Begrenzung des Notkonverters 8: Als Schutz für den Transistor 22 ist es möglich, den Transistor-Strom über einen Shunt-Widerstand 25 — und eventuell einen Verstärker 24 - zu messen. Sobald diesen Strom einen maximalen Wert überschritten hat, wird der Transistor 22 vom Mikrocontroller 7 oder besser von einer vom MikroController unabhängigen Schaltung ausgeschaltet. Der Strom kann auch über die Drainspannungsmessung im eingeschalteten Zustand eines Mosfet-Transistors übermittelt werden. Mit einer solchen Messung wird in grundsätzlich bekannter Weise eine "Ent-Sättigungs- überwachung" des Transistors realisiert.
Es ist natürlich möglich, auf eine solche Schutzschaltung zu verzichten. In diesem Fall wird bevorzugt, eine Sicherung 35 in den Akku-Kreis einzubauen.
Als weiteren Schutz für den Transistor 22 bzw. für die Diode 23 und den Kondensator 26 wird vorzugsweise die Ausgangsspannung 13, welche von der LED- Anordnung 2 abhängig ist, aus den drei folgenden Gründen überwacht. 1 Der Konverter wird für eine bestimmte maximale Ausgangsspannung konzipiert, typischerweise für 50V. Wenn die Durchlass-Spannung der LED-Anordnung 2 höher als diese maximale Ausgangsspannung liegt, ist der Notkonverter 8 bzw. das Notlichtelement 5 für die geplante Umwandlung der LED-Leuchte als Notleuchte ungeeignet. 2 Wenn die LED-Anordnung 2 fehlerhaft oder nicht angeschlossen ist, könnte die
Ausgangsspannung 13 theoretisch unbegrenzt ansteigen, da die Induktivität 21 im ausgeschalteten Zustand des Transistors 22 als Stromquelle arbeitet.
3 Wenn die im Netzbetrieb für die LED-Anordnung 2 vorgesehene
Ausgangsleistung kleiner als die im Notbetrieb vorgesehene Eingangsleistung ist, wird auch die Ausgangsspannung 13 steigen. Auch in diesem Fall ist der
Notkonverter 8 bzw. das Notlichtelement 5 für die geplante Umwandlung der LED-Leuchte als Notleuchte ungeeignet.
Die Überwachung der Ausgangsspannung 13 kann vom MikroController 7 selber oder von einer vom MikroController unabhängigen Schaltung realisiert werden.
Die bestimmten LED-Anordnungen, welche bei den oben gegebenen Gründen 1 und 3 beschrieben sind, sind auch die Grenzfalle, bei denen der Notkonverter 8 bzw. das Notlichtelement 5 für die geplante Umwandlung der LED-Leuchte als Notleuchte ungeeignet sind.
Der Akku 6 wird derart gewählt, dass seine Spannung 16 kleiner als die Durchlass- Spannung 13 der LED-Anordnung 2 ist. Andernfalls fliesst ein Strom direkt aus dem Akku 6 durch die Induktivität 21 und die Diode 23 in die LED- Anordnung 2, ohne dass die Möglichkeit besteht, die Leistung zu regeln.