WO2012010485A2 - Buck-konverter und verfahren zum bereitstellen eines stroms für mindestens eine led - Google Patents

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WO2012010485A2
WO2012010485A2 PCT/EP2011/062012 EP2011062012W WO2012010485A2 WO 2012010485 A2 WO2012010485 A2 WO 2012010485A2 EP 2011062012 W EP2011062012 W EP 2011062012W WO 2012010485 A2 WO2012010485 A2 WO 2012010485A2
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/375—Switched mode power supply [SMPS] using buck topology
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/10—Controlling the intensity of the light

Definitions

  • the present invention relates to a buck converter for providing a current for at least one LED having an input with a first and a second input terminal for coupling with a Gleichwoodsquel ⁇ le, an output with a first and a second output terminal for coupling with the at least one LED, a buck diode, a buck inductor and a buck main switch having a control electrode, a working ⁇ electrode and a reference electrode, and a first auxiliary switch, the selektrode a control electrode, a work and a reference electrode, wherein the control electrode of first auxiliary switch is coupled to a node at the operation of the circuit arrangement, a first voltage is provided, which is correlated with the provided to the at least one LED current, the Buc k-main switch and the buck diode serially between the first and the second input terminal are coupled, the Buckdr ossel between the connection point of the buck diode and the Buck- main switch on the one hand and the first output terminal on the other hand is coupled.
  • WO 2008/132658 AI a free-running scarf ⁇ tion arrangement is known, however, in contrast to the already mentioned WO 2009/089912 only in critical conduction mode or in transition mode, can work. This document teaches to use an amplification transistor between a high-current and a circuit breaker semiconductor, this being nothing more than a bipolar thyristor replica to turn off the circuit breaker semiconductor.
  • a circuit arrangement for operating a load with a constant current is known. This includes a voltage sensor which influences a control circuit such that an effect of the change of the output voltage on the average value of the output current is compensated.
  • US 2007/0013323 AI deals with a control circuit for the current supplied to an LED and shows the basic structure of a buck converter for operating LEDs in the continuous mode.
  • the object of the present invention is amzu- form known from WO 2009/089912 AI buck converter and the corresponding method for providing Stel ⁇ len a current for at least one LED such that it more cost-effective at the same time increasing the efficiency of the Buck converter can be ⁇ enabled.
  • the present invention is based on the finding that, with suitable control, the first and second auxiliary switches of WO 2009/089912 A1 can be replaced by a single auxiliary switch. This results in a more cost-effective realization of such a Buck converter.
  • the efficiency of the Buck converter since the sum of the resistances of the two current measuring shunts can be kept smaller in the realization of the invention than in the known from WO 2009/089912 AI solution.
  • the reference ⁇ electrode of the first auxiliary switch is coupled to a second node to which a second voltage can be provided during operation of the circuit, which is correlated with the current provided to the at least one LED, the first auxiliary switch such is coupled to the Buck main switch, that is determined by the first voltage of the turn-off time of the Buck main switch and by the sum of first and second voltage of the on time of the Buck main switch.
  • a preferred disclosed embodiment is characterized in that the first and the second voltage are so dimen sioned ⁇ that the first auxiliary switch in the free ⁇ -up phase of the buck converter passes from the conducting to the spermi- cides in power state.
  • the possibility he ⁇ opens, both the first voltage and the second voltage to pick off ohmic resistors, which are both flowed through in the freewheeling phase of the Buck converter from the same stream.
  • the time when the auxiliary switch enters the blocking state can thereby be interrupted particularly simple manner by dimensioning the ohmic resistors, at which the corresponding voltage is tapped adjusted.
  • the buck converter further comprises thus a first shunt resistor and a second shunt resistor, wherein the at the first shunt resistor wastes for ⁇ loin voltage is the first voltage, and wherein the voltage dropping at the second shunt resistor voltage is the second voltage ,
  • the first shunt resistor is angeord ⁇ net, that it is flowed through at least in the charging phase of the Buck converter of the at least one LED convenientlyge ⁇ set current.
  • the first shunt resistance with a ⁇ be preferred exemplary example, between the second output terminal and a reference potential is coupled. Since no current flows in the branch in which the buck diode is arranged in the charging phase of the Buck converter, such an arrangement of the first shunt resistor makes it possible to set the maximum value of the current provided to the at least one LED.
  • By positioning the first shunt resistor between the second output terminal and a reference potential is the first voltage relative to the reference potential and made ⁇ light a particularly simple coupling to the auxiliary scarf ⁇ ter.
  • the second shunt resistor is such angeord- net that it flows through in the freewheeling phase, but not in the charging phase, the buck converter on the provided to the Minim ⁇ least one LED current.
  • the second shunt resistor is coupled between the buck diode and a reference potential.
  • the first shunt resistor is larger than the second shunt resistor.
  • the first shunt resistor determines the maximum value of the ready rack ⁇ th to the LED current, while the sum of the first and second shunt resistor that sets the minimum value of the current ⁇ ready placed on the LED.
  • the buck converter comprises a second auxiliary switch, which has a control electrode, a reference electrode and a working electrode, wherein the reference electrode of the second auxiliary switch is coupled to a reference potential, wherein the working electrode of the second auxiliary switch with the control electrode of Buck main switch is coupled, wherein the Steuerelekt ⁇ mode of the second auxiliary switch is coupled to the working electrode of the first auxiliary switch.
  • the control electrode of the second auxiliary switch is preferably coupled via an ohmic resistor to the first input terminal. This will si ⁇ cherhog that the second auxiliary contact upon application of a DC supply voltage turns on the Buck main switch at the input of the buck converter, a start-up of the buck converter according to the invention to ermögli ⁇ chen.
  • control electrode of the Buck main switch is preferably coupled to the first input terminal via an ohmic resistor. This causes the accelerated From ⁇ vacate the base of the Buck main switch, if it is implemented as a bipolar transistor. As ⁇ by shorter switching times are possible. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a buck converter according to the invention. This has an input with a first El and a second respectivelysanschlus s E2, between which a low-voltage DC voltage source VI is coupled with 24 V present.
  • a low-voltage DC voltage source VI is coupled with 24 V present.
  • the present invention is shown using the example of the supply from such a low-voltage direct voltage source, which can be designed, for example, as a battery, this is readily achieved by connecting a device known to a person skilled in the art from a mains voltage (100 to 230 V). can be fed.
  • the input terminal E2 is coupled to a reference potential.
  • the series connection of a Buck main switch Q2, a Buck diode Dl and an ohmic resistor R2 is coupled.
  • a Buck inductor LI Between the connection point of the buck main switch Q2 and the diode Dl Buck ei ⁇ hand, and a first output terminal AI ⁇ other hand, is coupled to a Buck inductor LI.
  • a plurality of LEDs D2 to D5 are coupled.
  • the output terminal A2 and the reference potential ohm ⁇ shear resistor R3 is coupled.
  • the voltage dropping across the ohmic resistor R3 is coupled via an ohmic resistor R7 to the base of an auxiliary switch Q5, the emitter of which is connected via an ohmic resistor R2, which Riell is coupled to the buck diode Dl, also connected to the reference potential.
  • the collector of the first auxiliary switch Q45 is coupled via a resistor R4 to the first input terminal El.
  • the bone th at which the resistance is coupled to the collector of the auxiliary switch Q45 R4 is coupled to the control electrode ⁇ a second auxiliary switch Q3.
  • the emitter of the auxiliary switch Q3 is coupled to the reference potential. Parallel to the distance S expensive electrode reference electrode of the second auxiliary switch Q3 of the capacitor ⁇ Cl is coupled.
  • an ohmic resistor R8 is connected between the base of the Buck main switch Q2 and the first input terminal El. Furthermore, the parallel circuit of an ohmic resistor Rl and a capacitor C2 gekop ⁇ pelt between the base of the Buck main switch s Q2 and the collector of the second auxiliary switch Q3.
  • the Dio ⁇ de Dl blocks, is the emitter of the first auxiliary switch Q45 at the reference potential. Due to the increase of the load ⁇ current I LED to the ohmic reflection beach R3 wastes for ⁇ loin voltage R3 rises U until it is exceeded the base-emitter threshold voltage of the first auxiliary switch Q45 of about 0, 6 V means that the first auxiliary switch Q45 is switched to the conductive state. As a result, the base current previously provided via the resistor R4 to the second auxiliary switch Q3 is conducted via the first auxiliary switch Q45 to the reference potential. The second auxiliary switch Q3 thereby enters the non-conducting state, whereby as a result of the Buck-main switch Q2 is turned off. The free-wheeling phase of the Buck converter has begun.
  • the frequency of the triangular current I LED is determined by the input voltage VI, the voltage drop across the LEDs D2 to D5, the inductance of the buck inductor LI and the limits for the minimum iLEDmin and the maximum LED current ILEDmax.
  • the switch Q 5 is operated in basic circuit, which is the fastest of the three basic circuits. For this reason it makes sense to choose fast types for the switches Q2 and Q3.
  • the switch Q2 can usefully be realized as a MOSFET.
  • a high continuous switching speed of the switches of the Buck converter allows a further improvement of the efficiency and / or higher switching frequencies, combined with a reduction in the size of the inductance LI.
  • the ohmic resistance R2 of the present Buck converter is:
  • the value of the ohmic resistor R2 has ge ⁇ genüber the from WO 2009/089912 known value for the Ohmic resistance R2 significantly reduced.
  • This resul ⁇ advantage in significantly less loss, whereby the efficiency of the present Buck converter than that of the known buck converter.
  • the resistance of the load circuit current I LED flows through, so that even slightest cause reductions in resistance to a crate ⁇ tion efficiency.

Landscapes

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

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Buck-Konverter zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED (D2 bis D5), bei dem zwei Shunt-Widerstände (R3, R2) vorgesehen sind, um einen Hilfsschalter (Q45, Q3) ein- und auszuschalten und damit in Folge den Buck-Hauptschalter (Q2). Die beiden Shunt-Widerstände (R3, R2) sind so angeordnet, dass einer (R2) davon lediglich in der Freilaufphase des Buck-Konverters vom Laststrom durchflössen wird, während der andere Shunt-Widerstand (R3) sowohl in der Auflade- als auch in der Freilaufphase vom Laststrom durchflössen wird. Sie betrifft überdies ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms (ILED) für mindestens eine LED (D2 bis D5).

Description

Beschreibung
Buck-Konvert er und Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Buck-Konverter zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED mit einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Ein- gangsanschluss zum Koppeln mit einer Gleichspannungsquel¬ le, einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Aus- gangsanschluss zum Koppeln mit der mindestens einen LED, einer Buckdiode, einer Buckdrossel und einem Buck- Hauptschalter, der eine Steuerelektrode, eine Arbeits¬ elektrode und eine Bezugselektrode aufweist, und einem ersten Hilfsschalter, der eine Steuerelektrode, eine Arbeit selektrode und eine Bezugselektrode aufweist, wobei die Steuerelektrode des ersten Hilfsschalters mit einem Knoten gekoppelt ist, an dem im Betrieb der Schaltungsanordnung eine erste Spannung bereitstellbar ist, die mit dem an die mindestens eine LED bereitgestellten Strom korreliert ist, wobei der Buc k-Hauptschalter und die Buckdiode seriell zwischen den ersten und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt sind, wobei die Buckdrossel zwischen dem Verbindungspunkt der Buckdiode und des Buck- Hauptschalters einerseits und den ersten Ausgangsan- schluss andererseits gekoppelt ist. Sie betrifft überdies ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED. Stand der Technik
Mit dem Vordringen von LEDs in weite Bereiche der Allge¬ meinbeleuchtung ergibt sich ein großer Bedarf an einfachen und kostengünstigen Stromversorgungsschaltungen für diese Bauteile. Es gibt mittlerweile eine Vielzahl von insbesondere integrierten Schaltungen, die für derartige Anforderungen konzipiert wurden. Lediglich beispielhaft seien hier angeführt die Bausteine LM3402 der Firma Nati¬ onal sowie der Baustein LT3474 der Firma Linear Technology. Derartige integrierte Schaltungen sind jedoch für ei- nen Einsatz in Massenprodukten häufig zu teuer und zu unflexibel. Es besteht daher ein Bedarf an einer möglichst kostengünstigen Stromversorgungsschaltung für mindestens eine LED. Ein kostengünstiger Buck-Konverter zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED ist bekannt aus der WO 2009/089912 AI. Bereits ein derartiger Buck- Konverter ermöglicht sehr geringe Realisierungskosten und einen Platzbedarf, der unter den entsprechenden Vergleichsgrößen bei einer Realisierung durch eine integrierte Schaltung liegt.
Aus der WO 2008/132658 AI ist eine freischwingende Schal¬ tungsanordnung bekannt, die jedoch im Gegensatz zur bereits erwähnten WO 2009/089912 nur im Critical Conduction Mode oder im Transition Mode, arbeiten kann. Diese Druckschrift lehrt einen Verstärkungstransistor zwischen einem S t e u e r un g s h a 1 b 1 e i t e r und einem Leistungsschalter- Halbleiter zu verwenden, wobei dies nichts anderes als eine bipolare Thyristornachbildung zum Ausschalten des Leistungsschalter-Halbleiters darstellt. Aus der WO 2008/001246 AI ist eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last mit einem Konstantstrom bekannt. Diese umfasst einen Spannungssensor, der eine Steuerschaltung derart beeinflusst, dass ein Effekt der Ände- rung der Ausgangsspannung auf den Mittelwert des Ausgangsstroms kompensiert wird.
Die US 2007/0013323 AI befasst sich mit einer Steuerschaltung für den an eine LED bereitgestellten Strom und zeigt die Grundstruktur eines Buck-Konverters zum Betrei- ben von LEDs im Continuous-Mode .
Zum weiteren Stand der Technik wird verwiesen auf Kelvin Ka-Shing Leung, Henry Shu-Hung Chung: „Dynamic Hysteresis Band Control of the Buck Converter with Fast Transient Response", IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 52, NO. 7, JULY 2005.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, den aus der WO 2009/089912 AI bekannten Buck- Konverter und das entsprechende Verfahren zum Bereitstel¬ len eines Stroms für mindestens eine LED derart weiterzu- bilden, dass diese noch kostengünstiger unter gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrads des Buck-Konverters er¬ möglicht werden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich bei geeigneter Ansteuerung der erste und der zweite Hilfsschalter der WO 2009/089912 AI durch einen einzigen Hilfsschalter ersetzen lassen. Dies resultiert in einer kostengünstigeren Realisierung eines derartigen Buck- Konverters. Außerdem steigt, wie nachfolgend noch genauer ausgeführt werden wird, der Wirkungsgrad des Buck- Konverters, da die Summe der Widerstände der beiden Strommessshunts bei der erfindungsgemäßen Realisierung kleiner gehalten werden kann als bei der aus der WO 2009/089912 AI bekannten Lösung.
Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass die Bezugs¬ elektrode des ersten Hilfsschalters mit einem zweiten Knoten gekoppelt ist, an dem im Betrieb der Schaltungsanordnung eine zweite Spannung bereitstellbar ist, die mit dem an die mindestens eine LED bereitgestellten Strom korreliert ist, wobei der erste Hilfsschalter derart mit dem Buck-Hauptschalter gekoppelt ist, dass durch die erste Spannung der AbschaltZeitpunkt des Buck-Hauptschalters und durch die Summe aus erster und zweiter Spannung der Einschalt Zeitpunkt des Buck-Hauptschalters festgelegt ist .
Bei einer bevorzugten Aus führungs form ist zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselektrode des ersten Hilfs¬ schalters die Summe aus der ersten und der zweiten Span- nung gekoppelt.
Eine bevorzugte Aus führungs form zeichnet sich dadurch aus, dass die erste und die zweite Spannung derart dimen¬ sioniert sind, dass der erste Hilfsschalter in der Frei¬ laufphase des Buck-Konverters vom leitenden in den sper- renden Zustand übergeht. Damit wird die Möglichkeit er¬ öffnet, sowohl die erste Spannung als auch die zweite Spannung an ohmschen Widerständen abzugreifen, die in der Freilaufphase des Buck-Konverters beide vom selben Strom durchflössen werden. Der Zeitpunkt, wann der Hilfsschal- ter in den sperrenden Zustand übergeht, kann dadurch auf besonders einfache Weise durch Dimensionierung der ohm- schen Widerstände, an denen die entsprechende Spannung abgegriffen wird, eingestellt werden.
Bevorzugt umfasst der Buck-Konverter demnach weiterhin einen ersten Shunt-Widerstand sowie einen zweiten Shunt- Widerstand, wobei die am ersten Shunt-Widerstand abfal¬ lende Spannung die erste Spannung darstellt, und wobei die am zweiten Shunt-Widerstand abfallende Spannung die zweite Spannung darstellt. Wie bereits erwähnt, kann dann durch einfache Dimensionierung der Shunt-Widerstände festgelegt werden, wann der Buck-HauptSchalter ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch werden Maximal- und Minimal¬ wert des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms auf einfache Weise festgelegt. Bevorzugt ist der erste Shunt-Widerstand derart angeord¬ net, dass er zumindest in der Aufladephase des Buck- Konverters von dem an die mindestens eine LED bereitge¬ stellten Strom durchflössen wird. Besonders bevorzugt wird er sowohl in der Aufladephase als auch in der Frei- laufphase des Buck-Konverters von dem an die mindestens eine LED bereitgestellten Strom durchflössen. In diesem Zusammenhang ist der erste Shunt-Widerstand bei einem be¬ vorzugten Ausführungsbeispiel zwischen den zweiten Ausgangsanschluss und ein Bezugspotential gekoppelt. Da in der Aufladephase des Buck-Konverters noch kein Strom in dem Zweig fließt, in dem die Buckdiode angeordnet ist, ermöglicht eine derartige Anordnung des ersten Shunt- Widerstands die Einstellung des Maximalwerts des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms. Durch die Positionierung des ersten Shunt-Widerstands zwischen den zweiten Ausgangsanschluss und ein Bezugspotential ist die erste Spannung auf das Bezugspotential bezogen und ermög¬ licht eine besonders einfache Kopplung an den Hilfsschal¬ ter .
Bevorzugt ist der zweite Shunt-Widerstand derart angeord- net, dass er in der Freilaufphase, nicht jedoch in der Aufladephase, des Buck-Konverters von dem an die mindes¬ tens eine LED bereitgestellten Strom durchflössen wird. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn der zweite Shunt-Widerstand zwischen die Buckdiode und ein Bezugspotential gekoppelt ist. Auch hierbei ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders einfache Kopplung der zweiten Spannung an den Hilfsschalter erfolgen kann, wenn dieser ebenfalls mit dem Bezugspotential gekoppelt ist . Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der erste Shunt-Widerstand größer als der zweite Shunt-Widerstand. Dadurch können beide vom selben Strom durchflössen werden und es ist dennoch sichergestellt, dass die erste Span¬ nung in der Freilaufphase des Buck-Konverters größer ist als die zweite Spannung. Damit bestimmt der erste Shunt- Widerstand den Maximalwert des an die LED bereitgestell¬ ten Stroms, während die Summe des ersten und des zweiten Shunt-Widerstands den Minimalwert des an die LED bereit¬ gestellten Stroms festlegt. Gemäß einer Weiterbildung umfasst der Buck-Konverter einen zweiten Hilfsschalter, der eine Steuerelektrode, eine Bezugselektrode und eine Arbeitselektrode aufweist, wobei die Bezugselektrode des zweiten Hilfsschalters mit einem Bezugspotential gekoppelt ist, wobei die Arbeitselektrode des zweiten Hilfsschalters mit der Steuerelektrode des Buck-Hauptschalters gekoppelt ist, wobei die Steuerelekt¬ rode des zweiten Hilfsschalters mit der Arbeitselektrode des ersten Hilfsschalters gekoppelt ist. Durch diese Ma߬ nahme steuert der erste Hilfsschalter zunächst den zwei- ten Hilfsschalter an, der wiederum den Buck-Hauptschalter steuert. Bevorzugt ist hierbei die Steuerelektrode des zweiten Hilfsschalters über einen ohmschen Widerstand mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt. Dadurch wird si¬ chergestellt, dass der zweite Hilfsschalter bei Anlegen einer Versorgungsgleichspannung an den Eingang des Buck- Konverters den Buck-Hauptschalter einschaltet, um ein Anlaufen des erfindungsgemäßen Buck-Konverters zu ermögli¬ chen .
Weiterhin bevorzugt ist die Steuerelektrode des Buck- Hauptschalters über einen ohmschen Widerstand mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt. Dadurch wird das Aus¬ räumen der Basis des Buck-Hauptschalters, sofern dieser als Bipolartransistor realisiert wird, beschleunigt. Da¬ durch werden kürzere Schaltzeiten ermöglicht. Weitere bevorzugte Aus führungs formen ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Buck-Konverter vorgestellten bevorzugten Aus führungs formen und deren Vorteile gelten, soweit anwendbar, entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel ei¬ nes erfindungsgemäßen Buck-Konverters unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die in schematischer Dar- Stellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Buck-Konverters zeigt, näher dargestellt.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Buck-Konverters. Dieser weist einen Eingang mit einem ersten El und einem zweiten Eingangsanschlus s E2 auf, zwischen denen eine Niedervoltgleichspannungsquelle VI mit vorliegend 24 V gekoppelt ist. Wenngleich im Nachfolgenden die vorliegende Erfindung am Beispiel der Speisung aus einer derarti- gen Niedervoltgleichspannungsquelle, die beispielsweise als Batterie ausgeführt sein kann, dargestellt wird, so ist diese ohne Weiteres durch Vorschaltung einer dem Fachmann hinlänglich bekannten Einrichtung aus einer Netzspannung (100 bis 230 V) speisbar. Der Eingangsanschluss E2 ist mit einem Bezugspotential gekoppelt. Zwischen den ersten El und den zweiten Eingangsanschluss E2 ist die Serienschaltung eines Buck- Hauptschalters Q2, einer Buckdiode Dl sowie eines ohm- schen Widerstands R2 gekoppelt. Zwischen den Verbindungs- punkt des Buck-Hauptschalters Q2 und der Buckdiode Dl ei¬ nerseits und einen ersten Ausgangsanschluss AI anderer¬ seits ist eine Buckdrossel LI gekoppelt. Zwischen den Ausgangsanschluss AI und einen zweiten Ausgangsanschluss A2 sind mehrere LEDs D2 bis D5 gekoppelt. Zwischen den Ausgangsanschluss A2 und das Bezugspotential ist ein ohm¬ scher Widerstand R3 gekoppelt. Die am ohmschen Widerstand R3 abfallende Spannung wird über einen ohmschen Widerstand R7 an die Basis eines Hilfsschalters Q 5 gekoppelt, dessen Emitter über einen ohmschen Widerstand R2, der se- riell zur Buckdiode Dl gekoppelt ist, ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden ist. Der Kollektor des ersten Hilfsschalters Q45 ist über einen ohmschen Widerstand R4 mit dem ersten Eingangsanschluss El gekoppelt. Der Kno- ten, an dem der ohmsche Widerstand R4 mit dem Kollektor des Hilfsschalters Q45 gekoppelt ist, ist mit der Steuer¬ elektrode eines zweiten Hilfsschalters Q3 gekoppelt. Der Emitter des Hilfsschalters Q3 ist mit dem Bezugspotential gekoppelt. Parallel zur Strecke S teuerelektrode-Bezugs- elektrode des zweiten Hilfsschalters Q3 ist der Kondensa¬ tor Cl gekoppelt. Zwischen die Basis des Buck-Haupt- schalters Q2 und den ersten Eingangsanschluss El ist ein ohmscher Widerstand R8 geschaltet. Weiterhin ist zwischen die Basis des Buck-Hauptschalter s Q2 und den Kollektor des zweiten Hilfsschalters Q3 die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstands Rl und eines Kondensators C2 gekop¬ pelt.
Zur Funktionsweise: Nach dem Anlegen einer Gleichspannungsquelle VI zwischen den ersten El und den zweiten Eingangsanschluss E2 wird der zweite Hilfsschalter Q3 ü- ber den ohmschen Widerstand R4 in den leitenden Zustand geschaltet. Durch den vom Kollektor zum Emitter des zweiten Hilfsschalters Q3 fließenden Strom wird über die Pa¬ rallelschaltung des ohmschen Widerstands Rl und des Kon- densators C2 der Buck-Hauptschalter Q2 in den leitenden Zustand geschaltet. Die Aufladephase des Buck-Konverters hat begonnen. Dabei fließt ein Strom über den Buck- Hauptschalter Q2, durch die Buckdrossel LI, die LEDs D2 bis D5, über den ohmschen Widerstand R3 und das Bezugspo- tential zurück zum Ausgangsanschluss E2. Solange die Dio¬ de Dl sperrt, liegt der Emitter des ersten Hilfsschalters Q45 auf dem Bezugspotential. Durch die Zunahme des Last¬ stroms ILED steigt die am ohmschen Widerstrand R3 abfal¬ lende Spannung UR3 bis dies bei Überschreiten der Basis- Emitter-Schwellspannung des ersten Hilfsschalters Q45 von ca. 0, 6 V dazu führt, dass der erste Hilfsschalter Q45 in den leitenden Zustand geschaltet wird. Dadurch wird der zuvor über den ohmschen Widerstand R4 an den zweiten Hilfsschalter Q3 bereitgestellte Basisstrom über den ersten Hilfsschalter Q45 zum Bezugspotential geleitet. Der zweite Hilfsschalter Q3 geht dadurch in den nichtleitenden Zustand über, wodurch als Folge der Buck- Hauptschalter Q2 ausgeschaltet wird. Die Freilaufphase des Buck-Konverters hat begonnen.
In der Freilaufphase fließt ein Strom vom Bezugspotential über den ohmschen Widerstand R2, die Buckdiode Dl, die Buckdrossel LI sowie die LEDs D2 bis D5 und den ohmschen Widerstand R3 zurück zum Bezugspotential. Durch die am ohmschen Widerstand R2 abfallende Spannung UR2 wird zu¬ nächst der erste Hilfsschalter Q45 noch leitender ge- schaltet. Da nun der Strom ILED aufgrund der Entmagneti- sierung der Buckdrossel LI sinkt, sinkt die Basis- Emitter-Spannung ÜBE des ersten Hilfsschalters Q45, die sich wie folgt darstellt:
UBE(Q45) = (R2+R3) -ILED Sinkt die Spannung UBE von Q3 unter die Schwellspannung von 0, 6 V, geht der erste Hilfsschalter Q45 in den sperrenden Zustand über. Dadurch kann der zweite Hilfsschalter Q3 über den ohmschen Widerstand R4 wieder eingeschaltet werden, wodurch in der Folge der Buck-Hauptschalter Q2 eingeschaltet wird. Demgemäß wird der obere Grenzwert des Stroms ILED bestimmt zu :
-L LEDmax UBEF(Q45) /R3 und der untere Grenzwert des LED-Stroms bestimmt zu:
Figure imgf000013_0001
Die Frequenz des dreieckförmigen Stroms ILED wird bestimmt durch die Eingangsspannung VI, die an den LEDs D2 bis D5 abfallende Spannung, die Induktivität der Buckdrossel LI sowie die Grenzwerte für den minimalen iLEDmin und den ma- ximalen LED-Strom ILEDmax ·
Der Schalter Q 5 wird in Basisschaltung betrieben, welche die schnellste der drei Grundschaltungen darstellt. Des¬ halb macht es auch Sinn, für die Schalter Q2 und Q3 schnelle Typen zu wählen. In diesem Zusammenhang kann der Schalter Q2 sinnvollerweise als MOSFET realisiert werden. Eine hohe durchgehende Schaltgeschwindigkeit der Schalter des Buck-Konverters ermöglicht eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads und/oder höhere Schaltfrequenzen, verbunden mit einer Reduktion der Baugröße der Induktivität LI .
Im Vergleich zu dem Buck-Konverter der WO 2009/089912 beträgt der ohmsche Widerstand R2 des vorliegenden Buck- Konverters :
R2 (vorliegende Erfindung) =
R2 (WO 2009/089912) -R3 (WO 2009/089912)
Damit hat sich der Wert des ohmschen Widerstands R2 ge¬ genüber dem aus der WO 2009/089912 bekannten Wert für den ohmschen Widerstand R2 deutlich verringert. Dies resul¬ tiert in signifikant geringeren Verlusten, wodurch der Wirkungsgrad des vorliegenden Buck-Konverters über dem des bekannten Buck-Konverters . In diesem Zusammenhang ist besonders darauf hinzuweisen, dass der ohmsche Widerstand vom Lastkreisstrom ILED durchflössen wird, so dass bereits geringste Reduktionen im Widerstandswert zu einer Steige¬ rung des Wirkungsgrads führen.

Claims

Ansprüche
Buck-Konverter zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED (Dl bis D5) mit
- einem Eingang mit einem ersten (El) und einem zweiten Eingangsans chlus s (E2) zum Koppeln mit einer Gleichspannungsquelle (VI);
- einem Ausgang mit einem ersten (AI) und einem zweiten Ausgangsanschluss (A2) zum Koppeln mit der mindestens einen LED (D2 bis D5) ;
- einer Buckdiode (Dl), einer Buckdrossel (LI) und ei¬ nem Buck-Hauptschalter (Q2), der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist; und
- einem ersten Hilfsschalter (Q45) , der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugs¬ elektrode aufweist,
wobei die Steuerelektrode des ersten Hilfsschalters (Q45) mit einem Knoten gekoppelt ist, an dem im Be¬ trieb der Schaltungsanordnung eine erste Spannung (UR3) bereitstellbar ist, die mit dem an die mindes¬ tens eine LED (D2 bis D5) bereitgestellten Strom (ILED) korreliert ist,
wobei der Buck-Hauptschalter (Q2) und die Buckdiode (Dl) seriell zwischen den ersten (El) und den zweiten Eingangsanschluss (E2) gekoppelt sind, wobei die Buck¬ drossel (LI) zwischen den Verbindungspunkt der Buckdi¬ ode (Dl) und des Buck-Hauptschalters (Q2) einerseits und den ersten Ausgangsanschluss (AI) andererseits ge¬ koppelt ist;
dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugselektrode des ersten Hilfsschalters (Q45) mit einem zweiten Knoten gekoppelt ist, an dem im Betrieb der Schaltungsanordnung eine zweite Spannung (UR2) bereitstellbar ist, die mit dem an die min¬ destens eine LED (D2 bis D5) bereitgestellten Strom ( I LED ) korreliert ist,
wobei der erste Hilfsschalter (Q45) derart mit dem Buck-Hauptschalter (Q2) gekoppelt ist, dass durch die erste Spannung (UR3 ) der Abschalt Zeitpunkt des Buck- Hauptschalter s (Q2) und durch die Summe aus erster ( UR3 ) und zweiter Spannung (UR2 ) der EinschaltZeitpunkt des Buck-Hauptschalters (Q2) festgelegt ist.
Buck-Konverter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste (UR3) und die zweite Spannung (UR2) der¬ art dimensioniert sind, dass der erste Hilfsschalter (Q45) in der Freilaufphase des Buck-Konverters vom leitenden in den sperrenden Zustand übergeht.
Buck-Konverter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselekt¬ rode des ersten Hilfsschalters (Q45) die Summe aus der ersten ( UR3 ) und der zweiten Spannung (UR2 ) gekoppelt ist . 4. Buck-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Buck-Konverter weiterhin umfasst:
- einen ersten Shunt-Widerstand (R3) ; sowie - einen zweiten Shunt-Widerstand (R2), wobei die am ersten Shunt-Widerstand (R3) abfallende Spannung die erste Spannung (UR3) darstellt, und wobei die am zweiten Shunt-Widerstand (R2) abfallende Span- nung die zweite Spannung (UR2) darstellt.
Buck-Konverter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Shunt-Widerstand (R3) derart angeordnet ist, dass er zumindest in der Aufladephase des Buck- Konverters von dem an die mindestens eine LED (D2 bis D5) bereitgestellten Strom (ILED) durchflössen wird.
6. Buck-Konverter nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Shunt-Widerstand (R3) zwischen den zweiten Ausgangsanschluss (A2) und ein Bezugspotential gekoppelt ist.
Buck-Konverter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Shunt-Widerstand (R2) derart angeord¬ net ist, dass er in der Freilaufphase, nicht jedoch in der Aufladephase, des Buck-Konverters von dem an die mindestens eine LED (D2 bis D5) bereitgestellten Strom (ILED) durchflössen wird.
8. Buck-Konverter nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Shunt-Widerstand (R2) zwischen die Buckdiode (Dl) und ein Bezugspotential gekoppelt ist.
9. Buck-Konverter nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Shunt-Widers tand (R3) größer ist als der zweite Shunt-Widerstand (R2) .
Buck-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Buck-Konverter einen zweiten Hilfsschalter (Q3) umfasst, der eine Steuerelektrode, eine Bezugs¬ elektrode und eine Arbeitselektrode ausweist, wobei die Bezugselektrode des zweiten Hilfsschalters (Q3) mit einem Bezugspotential gekoppelt ist, wobei die Ar¬ beitselektrode des zweiten Hilfsschalters (Q3) mit der Steuerelektrode des Buck-Hauptschalters (Q2) gekoppelt ist, wobei die Steuerelektrode des zweiten Hilfsschal¬ ters (Q3) mit der Arbeitselektrode des ersten Hilfs¬ schalters (Q45) gekoppelt ist.
11. Buck-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerelektrode des zweiten Hilfsschalters (Q3) über einen ohmschen Widerstand (R4) mit dem ersten Eingangsanschluss (El) gekoppelt ist.
Buck-Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerelektrode des Buck-Hauptschalters (Q2) über einen ohmschen Widerstand (R8) mit dem ersten Eingangsanschluss (El) gekoppelt ist. Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED (D2 bis D5) mittels eines Buck- Konverters, der einen Eingang mit einem ersten (El) und einem zweiten Eingangsanschluss (E2) zum Koppeln mit einer Gleichspannungsquelle (VI); einen Ausgang mit einem ersten (AI) und einem zweiten Ausgangsan- schluss (A2) zum Koppeln mit der mindestens einen LED (D2 bis D5) ; eine Buckdiode (Dl), eine Buckdrossel (LI) und einen Buck-Hauptschalter (Q2), der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugs¬ elektrode aufweist, sowie einen ersten Hilfsschalter ( Q45 ) , der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist, umfasst, wobei die Steuerelektrode des ersten Hilfsschalters ( Q45 ) mit einem Knoten gekoppelt ist, an dem im Betrieb der Schaltungsanordnung eine erste Spannung (UR3 ) bereitstellbar ist, die mit dem an die mindestens eine LED (D2 bis D5) bereitgestellten Strom (ILED) korre¬ liert ist, wobei der Buck-Hauptschalter (Q2) und die Buckdiode (Dl) seriell zwischen den ersten (El) und den zweiten Eingangsanschluss (E2) gekoppelt sind, wo¬ bei die Buckdrossel (LI) zwischen den Verbindungspunkt der Buckdiode (Dl) und des Buck-Hauptschalters (Q2) einerseits und den ersten Ausgangsanschluss (AI) an¬ dererseits gekoppelt ist;
folgende Schritte umfassend:
a) Koppeln des ersten Hilfsschalters ( Q45 ) mit dem Buck-Hauptschalter (Q2);
b) Zuführen der ersten Spannung (UR3 ) an die Steuerelektrode des ersten Hilfsschalters ( Q45 ) ; und c) Zuführen einer zweiten Spannung (UR2 ) , die mit dem an die mindestens eine LED (D2 bis D5) bereitge- stellten Strom (ILED) korreliert ist, an die Bezugs¬ elektrode des ersten Hilfsschalters (Q45) ;
wobei in Schritt a) der erste Hilfsschalter (Q45) der¬ art mit dem Hauptschalter (Q2) gekoppelt wird, dass durch die erste Spannung (UR3) der Abschalt Zeitpunkt des Buck-Hauptschalters (Q2) und durch die Summe der ersten (UR3) und der zweiten Spannung (UR2) der Ein¬ schaltzeitpunkt des Buck-Hauptschalters (Q2) festge¬ legt wird.
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