WO2015007468A1 - Voltage transformer, lighting device, and method for transforming a voltage - Google Patents
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- Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]
Definitions
- control devices or voltage transformers for signal functions in motor vehicles for example LEDs
- the converter topology (Buck, Buck Boost, Boost, Flyback, etc.) is chosen based on the specific application based on the number of LEDs.
- a control unit suitable for different numbers of LEDs, e.g. for both a position light (an LED) and a daytime running light (e.g., 14 LEDs).
- a system with a high output voltage without transformer delivers eg a pure boost converter.
- the system can control via 14 LEDs. Operation with only one LED is thus not possible because the switching element (transistor) is not placed in series between input voltage and output voltage, in contrast, for example, a buck converter, and thus in the off mode of the switch unimpeded by a current the LED would flow that is uncontrollable.
- the task is thus to increase the application flexibility.
- a high efficiency should be achieved.
- the cost of implementation should be kept low or reduced.
- a voltage converter (1) wherein the voltage converter (1) has an input (10) with a first input terminal (11) and a second input terminal (12) and the voltage converter (1) has an up-converter (20). and an output (30) having a first output terminal (31) and a second output terminal (32), and wherein the voltage converter (1) comprises a switch (40) arranged to connect the second output terminal (32) either to the potential of to pull the first input terminal (11) or to the potential of the second input terminal (12).
- the object is further achieved according to the invention by, in particular, a method for converting a voltage by means of a voltage converter (1) having an input (10) with a first input terminal (1) and a second input terminal (12) and an up-converter (20) and an output (30) having a first output terminal (31) and a second output terminal (32), wherein the following steps are performed:
- the voltage converter can be switched or placed in one of two topologies. It is thus possible to adapt the converter or wall element to the respective load and / or input voltage.
- a voltage is preferably present between the output terminals of the output, which voltage is given by the difference between the output potential of the boost converter at the first output terminal and the potential at the first input terminal. plus the voltage dropped across the switch.
- a voltage is preferably present between the output terminals of the output, which voltage is the difference between the output potential of the boost converter at the second output terminal and the potential at the first input terminal minus the voltage dropped across the switch.
- the setting of a switching state can also be done once, e.g. before installation of the voltage converter and e.g. by means of a DIP switch or a hardwiring.
- the voltage converter is preferably a DC-DC converter (DC / DC), particularly preferably a non-inverting DC-DC converter.
- a clamp is understood to be descriptive in the circuitic sense, i. there must be no physical terminal, but a terminal is (also) understood as a virtual / fictitious input point or starting point of a circuit.
- the boost converter is preferably a converter in which the magnitude of the input voltage (voltage between the input terminals) is equal to or less than the magnitude of the output voltage (voltage between the output terminals - preferably with load coupled to the output terminals).
- the boost converter is a non-inverting converter.
- the two input terminals and the first output terminal are directly connected to the boost converter.
- Pulling to a potential is preferably done by switching between the switching state of a connection from the second output terminal to the first input terminal (pulling on the potential of the first input terminal) and the switching state of a connection from the second output terminal to the second input terminal (pulling on the potential of the second input terminal).
- a connection is preferably an electrically conductive path, particularly preferably low impedance, for example below 100 ⁇ , preferably below 10 ⁇ , more preferably below 5 ⁇ . No compound is preferably present, if there is no electrical connection or this is high impedance, for example over 500 ⁇ , preferably over ⁇ ⁇ , more preferably above 1 ⁇ .
- connection is preferably present in the through-connected state at least in one direction, preferably in the direction of the potential difference between the second output terminal and the first or second input terminal.
- a connection is present in the respective through-connected state at least in the direction of the second output terminal and the first or second input terminal.
- the potential of the second output terminal and the potential of the input terminal to which the second output terminal is pulled by the switch will differ by a voltage which drops across the switch in the conductive path between the second output terminal and the corresponding input terminal the voltage dropping across the switch is preferably designed as small as possible, eg less than or equal to 2.6V (e.g., Darlington transistor as part of the switch), preferably less than or equal to 1V (also Darlington transistor), more preferably less than or equal to 0.3V (e.g., silicon transistor).
- 2.6V e.g., Darlington transistor as part of the switch
- 1V also Darlington transistor
- 0.3V e.g., silicon transistor
- the potential of the second output terminal is pulled to the potential of the first / second input terminal when the magnitude of the potential difference between the second output terminal and the first / second input terminal is less than the magnitude of the potential difference between the second output terminal and the second / first input terminal.
- the switch is preferably a changeover switch, which switches an XOR connection, ie either one path or a connection is switched through or low impedance while the other path or the other connection is not switched through or high impedance and vice versa.
- the switch In the first switching state of the switch, there is preferably a connection from the second output terminal to the first input terminal, in the second switching state a connection from the second output terminal to the second input terminal.
- the switch is a switch which connects in one direction only (eg in the direction from the second output terminal to the first input terminal).
- the switch is preferably understood in circuit technology sense as a changeover switch and has three connections.
- it is a mechanical switch, particularly preferably it is an electronic switch, which is realized for example from semiconductor elements.
- the second output terminal is preferably connected to the common center connection (COM) of the (change) switch.
- the switch (40) has a switching element S2 (41) and a blocking element (42).
- the switch can be realized by means of two simple components.
- the switching element S2 is preferably a (mechanical) 1-pole switch, particularly preferably a transistor (for example bipolar transistor or (junction) field-effect transistor, MOS-FET).
- the switching element S2 is preferably connected between the second output terminal and the second input terminal and, depending on the switching state, current-permeable or low-resistance or current-impermeable or high-resistance.
- the blocking element is preferably set up to block current flow in one direction, at least in a specific voltage range. It is preferably a diode (e.g., pn diode), more preferably a transistor.
- the blocking element is connected between the second output terminal and the first input terminal. It preferably blocks a current flow via the switching element S2 (if this is permeable / low-resistance) between the first and second input terminal and thus prevents a short circuit in this switching state. For example, it blocks current from the first input terminal to the second output terminal and is permeable to current in the other direction or low impedance, provided that in this direction a voltage is applied, which is higher than a possibly necessary forward voltage or threshold voltage.
- the blocking element (42) can be switched and the voltage converter (1) is furthermore inserted. directed, the blocking element (42) clocked, preferably with variable duty cycle, to switch.
- the blocking element (42) clocked, preferably with variable duty cycle, to switch.
- This additionally makes it possible to modulate the average value of the output voltage of the voltage converter by means of the cyclic activation, for example by means of a PWM control.
- the blocking element is preferably a transistor which is connected as a controllable switch between the second output terminal and the first input terminal.
- the latter is set up to switch the switching element S2 (41) clocked, preferably with a variable duty cycle.
- the switching element S2 is preferably a transistor which is connected as a controllable switch between the second output terminal and the second input terminal.
- both the switching element S2 and the blocking element are clocked controlled.
- one or both of the following steps are carried out:
- the boost converter (20) has an inductor (21), a switching element S1 (22), a diode (23) and a capacitor (24).
- a boost converter can be realized (so-called boost converter), which has a high efficiency.
- the inductance is eg a coil or choke, the switching element S1 eg Transistor, the capacity eg a capacitor.
- the voltage converter is preferably set up to switch the switching element S1 clocked.
- this is set up to switch the switching element S1 (22) clocked with a variable duty cycle.
- the step is further carried out:
- the degree of voltage conversion of the boost converter is adjustable.
- both the switching element S1 and the switching element S2 and / or the blocking element are clocked, preferably with variable duty cycle, controllable, thereby further increasing the flexibility to set different operating points of the combination of voltage converter and connected load.
- the diode of the boost converter is a switch, e.g. as a transistor, executed and this switch and the switching element S1 are synchronously switchable, or operated synchronously or are synchronously switched or operated.
- Lighting device for a vehicle, wherein the lighting device comprises a voltage converter according to the invention (1) and at least one lighting means (51) which is connected to the output (30) of the voltage converter (1).
- a lighting system according to the invention is flexibly adaptable to the number of connected lamps, in particular LED, or different input voltages, and a high efficiency is achieved in that instead of a conventional buck converter, a switch of the voltage converter according to the invention for switching between two topologies is present.
- a switch of the voltage converter according to the invention for switching between two topologies is present.
- 1 to 14 LEDs are connected in series.
- 1 to 20 LEDs are connected in any series and / or parallel connection.
- Fig. 2 shows a voltage converter according to the invention, wherein the switch by means of a
- Fig. 3 shows a voltage converter according to the invention, wherein the boost converter a
- FIG. 4 shows a lighting device according to the invention with a voltage converter according to the invention.
- the voltage converter 1 shows a voltage converter 1 according to the invention. It has an input 10 with a first input terminal 11 and a second input terminal 12. These are connected to an up-converter 20.
- the voltage converter 1 also has a switch 40 and an output 30 with a first output terminal 31 and a second output terminal 32.
- the output terminal 31 is connected to the boost converter 20 and the output terminal 32 is connected to the common center terminal of the switch 40, here a changeover switch.
- the two other terminals of the switch 40 are connected to one of the input terminals 11, 12, respectively.
- the switch 40 is thus arranged to switch the second output terminal 32 either to the first input terminal 11 (as shown) or to the second input terminal 12.
- a load is switchable to the input terminals 11, 12, a voltage source.
- the voltage between the output terminals 31, 32 ie, the output voltage
- the output voltage is the potential difference between the first output terminal 31 and the first input terminal 11.
- the boost converter 20 converts the voltage applied to the input terminals 11, 12 into a greater or equal voltage.
- FIG. 2 shows a voltage converter 1 according to the invention, wherein, in contrast to FIG. 1, the switch 40 is realized by means of a blocking element 42 and a switching element S2 41. Between the second output terminal 32 and the first input terminal 11, the blocking element 42 is connected. Between the second output terminal 32 and the second input terminal 12, the switching element S2 41 is connected.
- the blocking element 42 blocks a current between the input terminals 11, 12 via the switching element S2 41 when it is turned on or low impedance.
- FIG. 3 shows a voltage converter 1 according to the invention, wherein the up-converter comprises, preferably consists of, an inductance 21, a switching element S1 22, a diode 23 and a capacitor 24.
- the inductor 21 is connected to the first input terminal 11 and connected in series with the diode 23 between the first input terminal 11 and the first output terminal 31.
- the switching element S1 22 is connected to one terminal between the inductor 21 and the diode 23 and with the other Connection to the second input terminal 12 or ground.
- the capacitance 24 is connected between the first output terminal 31 and the second input terminal 12 or ground.
- the input voltage 13 between the input terminals 11, 12 is positive, as well as the output voltage 33 between see the output terminals 31, 32.
- the blocking element 42 is a diode which is connected in such a way that it blocks a flow of current from the first input terminal 11 to the second output terminal 32.
- the input voltage 13 is converted via the inductor 21, the switching element S1 22, the diode 23 and the capacitor 24, as a result, the voltage between the first output terminal 31 and the second input terminal 12 is greater than or equal to the input voltage 13.
- the conversion takes place according to the known principle of up-conversion.
- the switching element S2 22 is controlled clocked.
- By means of (one-time) switching or setting or setting of the switching element S2 41 that of the two possible topologies is selected which better realizes an operating point desired for the load 50. If the switching element S2 41 is turned on or low resistance, then the load 50 is connected by means of the output terminal 32 to ground or reference potential of the second input terminal 12.
- This current path of the load 50 corresponds to a classic boost topology. If the switching element S2 41 is not turned on or high impedance, the current flows through the load 50 through the diode 42 to the first input terminal 11. This current path of the load 50 corresponds to the so-called buck-boost topology.
- the voltage converter 1 according to the invention or the method according to the invention for voltage conversion with the possibility of switching the topology for adapting the voltage converter 1 to the connected load 50 and / or the input voltage 13 with simple components is possible.
- the input voltage 13 and / or number of e.g. LEDs are switched as loads the topology to achieve the best possible mode for driving the LEDs.
- FIG. 4 shows an illumination device according to the invention with a voltage converter 1 according to the invention.
- the illumination device also has an LED 51 as a load. It is connected to the cathode to the second output terminal 32. In contrast to the voltage converter 1 shown in FIG. 3, this has Voltage converter 1 in addition to an input-side smoothing capacitor 25.
- a battery 14 is connected to the input 10 and the switching elements S1 and S2 S2 41 are implemented as MOS-FETs, which are each controlled by a control signal 26 and 43 respectively.
- the smoothing capacitor 25 smoothes voltage fluctuations, e.g. occur by other connected to the battery 14 consumers.
- the control signal 26 is a constant clock signal (e.g., 400kHz), preferably a variable duty cycle PWM signal.
- the strength or the degree of up-conversion is adjustable. For example, Dimming of the LEDs with approx. 200Hz is carried out via an ON / OFF operation with a varying duty cycle. This has the advantage that this dimming is cheaper than a dimming by means of a circuit breaker.
- the input voltage is e.g. 28V. If the switching element S2 43 is turned on or low impedance, the sum of the forward voltages of series connected between the output terminals 31, 32 LEDs in the strand must be greater than the input voltage to prevent unwanted, no longer influenced, current. If the forward voltage of an LED is e.g. 2V and if less than 14 LEDs are connected in series at the output 30, then the topology with non-switched or high-impedance switching element S2 43 is selected.
- the switching element S2 43 is open or high-resistance until approximately 14 LEDs, and the current flows via the blocking element 42. With a higher number of connected LEDs, it is advantageous to drive the switching element S2 43 conductive or low resistance.
- the diode 42 is designed as a transistor and is like the switching element S2 43 driven by a signal.
- This signal is preferably a clocked PWM signal with a variable duty cycle.
- the switching signal 43 is a PWM signal with a variable duty cycle. In this way, a dimming of the LEDs is feasible in another or additional way.
- a voltage converter, a lighting device and a method for converting a voltage has thus been provided for the first time, which allow a flexible adaptation to different loads (eg different numbers and / or interconnections of LEDs) and different input voltages with a simple switching structure.
- a first topology and a second topology can be selected by means of a switch, one of these topologies corresponding to a bottom topology and the other to a buck-boost topology (preferably non-inverting), or simulating its effect.
- the switch is the second output terminal, which is preferably that output terminal which is not directly connected to the up-converter, either switchable to one or the other input terminal.
- the potential of the second output terminal can be coupled to two different potentials.
- different output voltages of the voltage converter can be easily realized with high efficiency.
- the preferred implementation of the switch by an electronically controllable switching element S1, such as a transistor in combination with a blocking element such as a diode or a transistor is extremely compact and inexpensive.
- the use of switchable transistors as a switching element S1 and / or switching element S2 and / or as a blocking element allows flexible adjustment of an operating point of the circuit with the load connected under adjustment of the control parameters of the switch, including, for example, the duty cycle or the duty cycle of a PWM control counting.
- the more PWM-driven transistors are used, the greater the flexibility, and for each PWM drive also higher costs incurred. LIST OF REFERENCE NUMBERS
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- Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
The invention relates to a voltage transformer, wherein the voltage transformer comprises an input having a first input terminal and a second input terminal and the voltage transformer comprises a step-up transformer and an output having a first output terminal and a second output terminal and wherein the voltage transformer comprises a switch, which is designed to pull the second output terminal either to the potential of the first input terminal or to the potential of the second input terminal. The invention further relates to a lighting device for a vehicle having such a voltage transformer and to a corresponding method for transforming a voltage.
Description
Spannungswandler, Beleuchtungseinrichtung und Verfahren zum Wandeln einer Spannung Voltage transformer, lighting device and method for converting a voltage
Beschreibung description
Die Anforderungen an Steuergeräte bzw. Spannungswandler für Signalfunktionen im Kfz (für z.B. LED) werden immer höher. Bis heute wird applikationsspezifisch anhand der Anzahl der LEDs die Wandlertopologie (Buck, Buck-Boost, Boost, Flyback etc.) ausgesucht. Gewünscht wäre jedoch ein Steuergerät, welches für unterschiedliche Anzahlen von LEDs geeignet ist, z.B. sowohl für ein Positionslicht (eine LED) als auch für ein Tagfahrlicht (z.B. 14 LEDs). The requirements for control devices or voltage transformers for signal functions in motor vehicles (for example LEDs) are becoming ever higher. To date, the converter topology (Buck, Buck Boost, Boost, Flyback, etc.) is chosen based on the specific application based on the number of LEDs. However, a control unit suitable for different numbers of LEDs, e.g. for both a position light (an LED) and a daytime running light (e.g., 14 LEDs).
Wird der Ausgangsspannungsbereich diverser Topologien in Bezug auf den Eingangsspannungsbereich des Bordnetzes, des Vorwärtsspannungsbereichs der LED und der minimalen und maximalen Einschaltdauer (Duty-Cycle bzw. Tastgrad) von Wandlern berechnet, wird kein Wandler mit Festfrequenz, was die üblichste Methode ist, den Anforderungen an die Ausgangsspannung von ca. 2V bis ca. 50V gerecht. If the output voltage range of various topologies is calculated with respect to the input voltage range of the vehicle electrical system, the forward voltage range of the LED and the minimum and maximum duty cycle of converters, no fixed-frequency converter, which is the most common method, will meet the requirements the output voltage of about 2V to about 50V just.
Dieser Anforderung wird heute mit mehrstufigen Wandlern begegnet. Als erstes wird mit einem Boost-Wandler eine entsprechend hohe Ausgangsspannung erzeugt, um danach mit einem Buck-Wandler die geforderte applikationsspezifische Ausgangsspannung zu erzeugen. Zweistufige Systeme haben erstens den Nachteil der hohen Kosten und zweitens den Nachteil des schlechteren Wirkungsgrads gegenüber einstufigen Systemen. This requirement is met today with multi-level converters. First, a correspondingly high output voltage is generated with a boost converter in order then to generate the required application-specific output voltage with a buck converter. Firstly, two-stage systems have the disadvantage of high costs and, secondly, the disadvantage of lower efficiency compared to single-stage systems.
Ein System mit einer hohen Ausgangsspannung ohne Übertrager liefert z.B. ein reiner Boost-Wandler. Je nach Parametern (LED-Spannung, Duty-Cycle, Eingangsspannung) wie oben aufgeführt, kann das System über 14 LEDs ansteuern. Ein Betrieb mit nur einer LED ist damit nicht möglich, da das schaltende Element (Transistor) nicht in Reihe zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung platziert ist, im Gegensatz z.B. bei einem Buck-Wandler, und somit auch im Aus-Betrieb des Schalters ungehindert ein Strom durch die LED fließen würde, der nicht kontrollierbar ist.
Die Aufgabe ist es somit, die Anwendungsflexibilität zu erhöhen. Außerdem soll bevorzugt ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Bevorzugt sollen die Kosten für die Realisierung gering gehalten oder reduziert werden. A system with a high output voltage without transformer delivers eg a pure boost converter. Depending on the parameters (LED voltage, duty cycle, input voltage) listed above, the system can control via 14 LEDs. Operation with only one LED is thus not possible because the switching element (transistor) is not placed in series between input voltage and output voltage, in contrast, for example, a buck converter, and thus in the off mode of the switch unimpeded by a current the LED would flow that is uncontrollable. The task is thus to increase the application flexibility. In addition, preferably a high efficiency should be achieved. Preferably, the cost of implementation should be kept low or reduced.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch insbesondere einen Spannungswandler (1 ), wobei der Spannungswandler (1 ) einen Eingang (10) mit einer ersten Eingangsklemme (11 ) und einer zweiten Eingangsklemme (12) aufweist und der Spannungswandler (1 ) einen Aufwärtswandler (20) und einen Ausgang (30) mit einer ersten Ausgangsklemme (31 ) und einer zweiten Ausgangsklemme (32) aufweist und wobei der Spannungswandler (1 ) einen Schalter (40) aufweist, der eingerichtet ist, die zweite Ausgangsklemme (32) entweder auf das Potential der ersten Eingangsklemme (11 ) oder auf das Potential der zweiten Eingangsklemme (12) zu ziehen. The object is achieved in particular by a voltage converter (1), wherein the voltage converter (1) has an input (10) with a first input terminal (11) and a second input terminal (12) and the voltage converter (1) has an up-converter (20). and an output (30) having a first output terminal (31) and a second output terminal (32), and wherein the voltage converter (1) comprises a switch (40) arranged to connect the second output terminal (32) either to the potential of to pull the first input terminal (11) or to the potential of the second input terminal (12).
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch insbesondere ein Verfahren zum Wandeln einer Spannung mittels eines Spannungswandlers (1 ), der einen Eingang (10) mit einer ersten Eingangsklemme ( 1 ) und einer zweiten Eingangsklemme (12) aufweist und der einen Aufwärtswandler (20) und einen Ausgang (30) mit einer ersten Ausgangsklemme (31 ) und einer zweiten Ausgangsklemme (32) aufweist, wobei folgende Schritte durchgeführt werden: The object is further achieved according to the invention by, in particular, a method for converting a voltage by means of a voltage converter (1) having an input (10) with a first input terminal (1) and a second input terminal (12) and an up-converter (20) and an output (30) having a first output terminal (31) and a second output terminal (32), wherein the following steps are performed:
a) Aufwärtswandeln einer Eingangsspannung (13); a) upconverting an input voltage (13);
b) Setzen eines von mindestens zwei möglichen Schaltzuständen eines Schalters (40), wobei in einem ersten Schaltzustand die zweite Ausgangsklemme (32) auf das Potential der ersten Eingangsklemme (11 ) gezogen wird und in einem zweiten Schaltzustand die zweite Ausgangsklemme (32) auf das Potential der zweiten Eingangsklemme (12) gezogen wird. b) setting one of at least two possible switching states of a switch (40), wherein in a first switching state, the second output terminal (32) is pulled to the potential of the first input terminal (11) and in a second switching state, the second output terminal (32) on the Potential of the second input terminal (12) is pulled.
Auf diese Weise ist der Spannungswandler aufgrund des Schalters bzw. aufgrund des Setzens des Schaltzustands zwischen zwei Topologien schaltbar bzw. in eine von zwei Topologien setzbar. Es ist somit eine Anpassung des Wandlers bzw. des Wandeins an die jeweilige Last und/oder Eingangsspannung möglich. In der ersten Topo- logie liegt zwischen den Ausgangsklemmen des Ausgangs bevorzugt eine Spannung an, die aus der Differenz des Ausgangspotentials des Aufwärtswandlers an der ersten Ausgangsklemme und dem Potential an der ersten Eingangsklemme gegeben ist, ab-
züglich der an dem Schalter abfallenden Spannung. In der zweiten Topologie liegt zwischen den Ausgangsklemmen des Ausgangs bevorzugt eine Spannung an, die aus der Differenz des Ausgangspotentials des Aufwärtswandlers an der zweiten Ausgangsklemme und dem Potential an der ersten Eingangsklemme gegeben ist, abzüglich der an dem Schalter abfallenden Spannung. Mit nur einem Aufwärtswandler sind somit verschiedene Lastspannungen ohne große Verluste oder aufwändige Schaltungskombinationen erreichbar und somit verschiedene Lastkonfigurationen am Ausgang des Spannungswandlers möglich. In this way, due to the switch or due to the setting of the switching state between two topologies, the voltage converter can be switched or placed in one of two topologies. It is thus possible to adapt the converter or wall element to the respective load and / or input voltage. In the first topology, a voltage is preferably present between the output terminals of the output, which voltage is given by the difference between the output potential of the boost converter at the first output terminal and the potential at the first input terminal. plus the voltage dropped across the switch. In the second topology, a voltage is preferably present between the output terminals of the output, which voltage is the difference between the output potential of the boost converter at the second output terminal and the potential at the first input terminal minus the voltage dropped across the switch. With only one boost converter, it is thus possible to achieve different load voltages without great losses or complicated circuit combinations, and thus different load configurations at the output of the voltage converter are possible.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Setzen eines Schaltzustands auch einmalig erfolgen, z.B. vor einem Einbau des Spannungswandlers und z.B. mittels eines DIP-Schalters oder einer Festverdrahtung. In the method according to the invention, the setting of a switching state can also be done once, e.g. before installation of the voltage converter and e.g. by means of a DIP switch or a hardwiring.
Der Spannungswandler ist bevorzugt ein Gleichspannungswandler (DC/DC), besonders bevorzugt ein nicht-invertierender Gleichspannungswandler. Eine Klemme wird zur Beschreibung im schaltungstechnischen Sinn verstanden, d.h. es muss keine physikalische Klemme vorliegen, sondern eine Klemme versteht sich (auch) als virtueller/fiktiver Eingangspunkt oder Ausgangspunkt einer Schaltung. The voltage converter is preferably a DC-DC converter (DC / DC), particularly preferably a non-inverting DC-DC converter. A clamp is understood to be descriptive in the circuitic sense, i. there must be no physical terminal, but a terminal is (also) understood as a virtual / fictitious input point or starting point of a circuit.
Der Aufwärtswandler bzw. Boost-Wandler ist bevorzugt ein Wandler, bei dem der Betrag der Eingangsspannung (Spannung zwischen den Eingangsklemmen) gleich oder niedriger als der Betrag der Ausgangsspannung (Spannung zwischen den Ausgangsklemmen - bevorzugt bei an den Ausgangsklemmen gekoppelter Last) ist. Besonders bevorzugt ist der Aufwärts- bzw. Boost-Wandler ein nicht invertierender Wandler. The boost converter is preferably a converter in which the magnitude of the input voltage (voltage between the input terminals) is equal to or less than the magnitude of the output voltage (voltage between the output terminals - preferably with load coupled to the output terminals). Particularly preferably, the boost converter is a non-inverting converter.
Bevorzugt sind die beiden Eingangsklemmen und die erste Ausgangsklemme direkt mit dem Aufwärtswandler verbunden. Preferably, the two input terminals and the first output terminal are directly connected to the boost converter.
Auf ein Potential zu ziehen erfolgt bevorzugt durch Schalten zwischen dem Schaltzustand einer Verbindung von der zweiten Ausgangsklemme zu der ersten Eingangsklemme (Ziehen auf das Potential der ersten Eingangsklemme) und dem Schaltzustand einer Verbindung von der zweiten Ausgangsklemme zu der zweiten Eingangsklemme (Ziehen auf das Potential der zweiten Eingangsklemme). Eine Verbindung ist
bevorzugt ein elektrisch leitender Pfad, besonders bevorzugt niederohmig, z.B. unter 100Ω, bevorzugt unter 10Ω, besonders bevorzugt unter 5Ω. Keine Verbindung liegt bevorzugt vor, wenn keine elektrische Verbindung vorliegt oder diese hochohmig ist, z.B. über 500Ω, bevorzugt über ^Ω, besonders bevorzugt über 1 ΜΩ. Bevorzugt liegt die Verbindung im durchgeschalteten Zustand zumindest in einer Richtung vor, bevorzugt in Richtung der Potentialdifferenz zwischen zweiter Ausgangsklemme und erster oder zweiter Eingangsklemme. Besonders bevorzugt liegt eine Verbindung im jeweiligen durchgeschalteten Zustand zumindest in der Richtung von der zweiten Ausgangsklemme und der ersten oder zweiten Eingangsklemme vor. Pulling to a potential is preferably done by switching between the switching state of a connection from the second output terminal to the first input terminal (pulling on the potential of the first input terminal) and the switching state of a connection from the second output terminal to the second input terminal (pulling on the potential of the second input terminal). A connection is preferably an electrically conductive path, particularly preferably low impedance, for example below 100Ω, preferably below 10Ω, more preferably below 5Ω. No compound is preferably present, if there is no electrical connection or this is high impedance, for example over 500Ω, preferably over ^ Ω, more preferably above 1 Ω. The connection is preferably present in the through-connected state at least in one direction, preferably in the direction of the potential difference between the second output terminal and the first or second input terminal. Particularly preferably, a connection is present in the respective through-connected state at least in the direction of the second output terminal and the first or second input terminal.
In der Realität wird sich das Potential der zweiten Ausgangsklemme und das Potential der Eingangsklemme, auf das die zweite Ausgangsklemme durch den Schalter gezogen ist, um eine Spannung unterscheiden, welche am Schalter im leitenden Pfad zwischen der zweiten Ausgangsklemme und der entsprechenden Eingangsklemme abfällt, wobei diese am Schalter abfallende Spannung bevorzugt möglichst klein konzipiert wird, z.B. kleiner gleich 2,6V (z.B. bei Darlington-Transistor als Bestandteil des Schalters), bevorzugt kleiner gleich 1V (ebenfalls Darlington-Transistor), besonders bevorzugt kleiner gleich 0,3V (z.B. Silizium-Transistor). Bevorzugt ist das Potential der zweiten Ausgangsklemme dann auf das Potential der ersten/zweiten Eingangsklemme gezogen, wenn der Betrag der Potentialdifferenz zwischen zweiter Ausgangsklemme und erster/zweiter Eingangsklemme kleiner ist als der Betrag der Potentialdifferenz zwischen zweiter Ausgangsklemme und zweiter/erster Eingangsklemme. In reality, the potential of the second output terminal and the potential of the input terminal to which the second output terminal is pulled by the switch will differ by a voltage which drops across the switch in the conductive path between the second output terminal and the corresponding input terminal the voltage dropping across the switch is preferably designed as small as possible, eg less than or equal to 2.6V (e.g., Darlington transistor as part of the switch), preferably less than or equal to 1V (also Darlington transistor), more preferably less than or equal to 0.3V (e.g., silicon transistor). Preferably, the potential of the second output terminal is pulled to the potential of the first / second input terminal when the magnitude of the potential difference between the second output terminal and the first / second input terminal is less than the magnitude of the potential difference between the second output terminal and the second / first input terminal.
Der Schalter ist bevorzugt ein Wechselschalter, der eine XOR-Verbindung schaltet, d.h. entweder ist ein Pfad bzw. eine Verbindung durchgeschaltet oder niederohmig während der andere Pfad bzw. die andere Verbindung nicht durchgeschaltet bzw. hochohmig ist und vice versa. In dem ersten Schaltzustand des Schalters besteht bevorzugt eine Verbindung von der zweiten Ausgangsklemme zu der ersten Eingangsklemme, in dem zweiten Schaltzustand eine Verbindung von der zweiten Ausgangsklemme zu der zweiten Eingangsklemme. Bevorzugt sind ausschließlich der erste und zweite Schaltzustand mögliche Schaltzustände des Schalters. Besonders bevorzugt ist der Schalter ein Schalter, welcher eine Verbindung in ausschließlich einer Richtung (z.B. in Richtung von der zweiten Ausgangsklemme zu der ersten Eingangsklemme)
ständig zuschaltet bzw. niederohmig schaltet (erster Schaltzustand und zweiter Schaltzustand) und eine weitere Verbindung zu- (erster Schaltzustand) oder abschaltet (zweiter Schaltzustand) bzw. niederohmig (erster Schaltzustand) oder hochohmig (zweiter Schaltzustand) schaltet. Der Schalter wird bevorzugt im schaltungstechnischen Sinn verstanden als Wechselschalter und weist drei Anschlüsse auf. Bevorzugt ist er ein mechanischer Schalter, besonders bevorzugt ist er ein elektronischer Schalter, der z.B. aus Halbleiterelementen realisiert ist. Die zweite Ausgangsklemme ist bevorzugt am gemeinsamen Mittelanschluss (COM) des (Wechsel-)Schalters angeschlossen. The switch is preferably a changeover switch, which switches an XOR connection, ie either one path or a connection is switched through or low impedance while the other path or the other connection is not switched through or high impedance and vice versa. In the first switching state of the switch, there is preferably a connection from the second output terminal to the first input terminal, in the second switching state a connection from the second output terminal to the second input terminal. Preferably, only the first and second switching state are possible switching states of the switch. Particularly preferably, the switch is a switch which connects in one direction only (eg in the direction from the second output terminal to the first input terminal). constantly switching on or low-impedance switching (first switching state and second switching state) and another connection to (first switching state) or switching off (second switching state) or low resistance (first switching state) or high resistance (second switching state) switches. The switch is preferably understood in circuit technology sense as a changeover switch and has three connections. Preferably, it is a mechanical switch, particularly preferably it is an electronic switch, which is realized for example from semiconductor elements. The second output terminal is preferably connected to the common center connection (COM) of the (change) switch.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers weist der Schalter (40) ein Schaltelement S2 (41 ) und ein Sperrelement (42) auf. In a preferred embodiment of the voltage converter according to the invention, the switch (40) has a switching element S2 (41) and a blocking element (42).
Hierdurch ist der Schalter mittels zweier einfacher Bauteile realisierbar. As a result, the switch can be realized by means of two simple components.
Das Schaltelement S2 ist bevorzugt ein (mechanischer) 1 -Pol-Schalter, besonders bevorzugt ein Transistor (z.B. Bipolartransistor oder (Sperrschicht-)Feldeffekt- transistor, MOS-FET). Das Schaltelement S2 ist bevorzugt zwischen die zweite Ausgangsklemme und die zweite Eingangsklemme geschaltet und je nach Schaltzustand stromdurchlässig bzw. niederohmig oder stromundurchlässig bzw. hochohmig. The switching element S2 is preferably a (mechanical) 1-pole switch, particularly preferably a transistor (for example bipolar transistor or (junction) field-effect transistor, MOS-FET). The switching element S2 is preferably connected between the second output terminal and the second input terminal and, depending on the switching state, current-permeable or low-resistance or current-impermeable or high-resistance.
Das Sperrelement ist bevorzugt eingerichtet, Stromfluss in eine Richtung, zumindest in einem bestimmten Spannungsbereich zu sperren. Es ist bevorzugt eine Diode (z.B. pn-Diode), besonders bevorzugt ein Transistor. Bevorzugt ist das Sperrelement zwischen die zweite Ausgangsklemme und die erste Eingangsklemme geschaltet. Es sperrt bevorzugt einen Stromfluss über das Schaltelement S2 (wenn dieses durchläs- sig/niederohmig ist) zwischen der ersten und zweiten Eingangsklemme und verhindert somit einen Kurzschluss in diesem Schaltzustand. Z.B. sperrt es Strom von der ersten Eingangsklemme zur zweiten Ausgangsklemme und ist für Strom in die andere Richtung durchlässig bzw. niederohmig, sofern in diese Richtung eine Spannung anliegt, welche höher als eine evtl. notwendige Flussspannung bzw. Schwellspannung ist. The blocking element is preferably set up to block current flow in one direction, at least in a specific voltage range. It is preferably a diode (e.g., pn diode), more preferably a transistor. Preferably, the blocking element is connected between the second output terminal and the first input terminal. It preferably blocks a current flow via the switching element S2 (if this is permeable / low-resistance) between the first and second input terminal and thus prevents a short circuit in this switching state. For example, it blocks current from the first input terminal to the second output terminal and is permeable to current in the other direction or low impedance, provided that in this direction a voltage is applied, which is higher than a possibly necessary forward voltage or threshold voltage.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ist das Sperrelement (42) schaltbar und der Spannungswandler (1 ) ist weiterhin einge-
richtet, das Sperrelement (42) getaktet, bevorzugt mit variablem Tastgrad, zu schalten. Hierdurch wird zusätzlich ermöglicht, durch die taktweise Ansteuerung den Mittelwert der Ausgangsspannung des Spannungswandlers zu modulieren, z.B. mittels einer PWM-Ansteuerung. Z.B. kann so die Helligkeit von LEDs, die als Last an den Ausgangsklemmen angeschlossen sind, gedimmt werden. Bevorzugt ist das Sperrelement hierzu ein Transistor, der als ansteuerbarer Schalter zwischen die zweite Ausgangsklemme und die erste Eingangsklemme geschaltet ist. In a preferred embodiment of the voltage converter according to the invention, the blocking element (42) can be switched and the voltage converter (1) is furthermore inserted. directed, the blocking element (42) clocked, preferably with variable duty cycle, to switch. This additionally makes it possible to modulate the average value of the output voltage of the voltage converter by means of the cyclic activation, for example by means of a PWM control. For example, the brightness of LEDs connected as load to the output terminals can be dimmed. For this purpose, the blocking element is preferably a transistor which is connected as a controllable switch between the second output terminal and the first input terminal.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ist dieser eingerichtet, das Schaltelement S2 (41 ) getaktet, bevorzugt mit variablem Tastgrad, zu schalten. Hierdurch wird eine weitere Möglichkeit eröffnet, den Mittelwert der Ausgangsspannung des Spannungswandlers zu modulieren, z.B. mittels einer PWM-Ansteuerung. Z.B. kann so die Helligkeit von LEDs, die als Last an den Ausgangsklemmen angeschlossen sind, gedimmt werden. Bevorzugt ist das Schaltelement S2 hierzu ein Transistor, der als ansteuerbarer Schalter zwischen die zweite Ausgangsklemme und die zweite Eingangsklemme geschaltet ist. In a preferred embodiment of the voltage converter according to the invention, the latter is set up to switch the switching element S2 (41) clocked, preferably with a variable duty cycle. This opens up a further possibility to modulate the mean value of the output voltage of the voltage converter, e.g. by means of a PWM control. For example, Thus, the brightness of LEDs connected as load to the output terminals can be dimmed. For this purpose, the switching element S2 is preferably a transistor which is connected as a controllable switch between the second output terminal and the second input terminal.
Bevorzugt sind sowohl das Schaltelement S2 als auch das Sperrelement getaktet ansteuerbar. In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren werden einer oder beide der folgenden Schritte durchgeführt: Preferably, both the switching element S2 and the blocking element are clocked controlled. In a preferred process according to the invention, one or both of the following steps are carried out:
- taktweises Schalten eines Sperrelements (42) des Schalters (40); - Clockwise switching of a blocking element (42) of the switch (40);
- taktweises Schalten eines Schaltelements S2 (41 ) des Schalters (40). - Clockwise switching of a switching element S2 (41) of the switch (40).
Hierdurch wird die Flexibilität erhöht, verschiedene Betriebspunkte der Kombination aus Spannungswandler und angeschlossener Last einstellen zu können bzw. einzustellen. This increases the flexibility to be able to adjust or set different operating points of the combination of voltage converter and connected load.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers weist der Aufwärtswandler (20) eine Induktivität (21 ), ein Schaltelement S1 (22), eine Diode (23) und eine Kapazität (24) auf. Hierdurch ist mit einfachen Elementen ein Aufwärtswandler realisierbar (sog. Boost-Wandler), der einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Die Induktivität ist z.B. eine Spule oder Drossel, das Schaltelement S1 z.B. ein
Transistor, die Kapazität z.B. ein Kondensator. Der Spannungswandler ist bevorzugt eingerichtet, das Schaltelement S1 getaktet zu schalten. In a preferred embodiment of the voltage converter according to the invention, the boost converter (20) has an inductor (21), a switching element S1 (22), a diode (23) and a capacitor (24). As a result, with simple elements a boost converter can be realized (so-called boost converter), which has a high efficiency. The inductance is eg a coil or choke, the switching element S1 eg Transistor, the capacity eg a capacitor. The voltage converter is preferably set up to switch the switching element S1 clocked.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ist dieser eingerichtet, das Schaltelement S1 (22) mit variablem Tastgrad getaktet zu schalten. In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner der Schritt durchgeführt: In a preferred embodiment of the voltage converter according to the invention, this is set up to switch the switching element S1 (22) clocked with a variable duty cycle. In a preferred method according to the invention, the step is further carried out:
- taktweises Schalten eines Schaltelements S1 (22) des Aufwärtswandlers (20) mit variablem Tastgrad. Clockwise switching of a switching element S1 (22) of the step-up converter (20) with a variable duty cycle.
Hierdurch ist der Grad der Spannungswandlung des Aufwärtswandlers einstellbar. As a result, the degree of voltage conversion of the boost converter is adjustable.
Bevorzugt sind sowohl das Schaltelement S1 als auch das Schaltelement S2 und/oder das Sperrelement getaktet, bevorzugt mit variablem Tastgrad, ansteuerbar, wodurch sich die Flexibilität noch weiter erhöht, verschiedene Betriebspunkte der Kombination aus Spannungswandler und angeschlossener Last einstellen zu können. Bevorzugt ist die Diode des Aufwärtswandlers als Schalter, z.B. als Transistor, ausgeführt und dieser Schalter und das Schaltelement S1 sind synchron schaltbar, bzw. synchron betreibbar oder werden synchron geschaltet oder betrieben. Hierdurch ist ein sog. synchroner Boost-Wandler oder Synchronwandler mit einfachen Bauteilen und hohem Wirkungsgrad realisierbar. Preferably, both the switching element S1 and the switching element S2 and / or the blocking element are clocked, preferably with variable duty cycle, controllable, thereby further increasing the flexibility to set different operating points of the combination of voltage converter and connected load. Preferably, the diode of the boost converter is a switch, e.g. as a transistor, executed and this switch and the switching element S1 are synchronously switchable, or operated synchronously or are synchronously switched or operated. As a result, a so-called synchronous boost converter or synchronous converter with simple components and high efficiency can be realized.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch insbesondere eine The object is further achieved according to the invention by a particular
Beleuchtungseinrichtung für ein Fahrzeug, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen erfindungsgemäßen Spannungswandler (1 ) aufweist sowie mindestens ein Leuchtmittel (51 ) welches am Ausgang (30) des Spannungswandlers (1 ) angeschlossen ist. Lighting device for a vehicle, wherein the lighting device comprises a voltage converter according to the invention (1) and at least one lighting means (51) which is connected to the output (30) of the voltage converter (1).
Auf diese Weise ist eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanlage flexibel an die Anzahl der angeschlossenen Leuchtmittel, insbesondere LED, oder verschiedene Eingangsspannungen anpassbar und ein hoher Wirkungsgrad wird dadurch erzielt, dass anstatt eines konventionellen Abwärtswandlers ein Schalter des erfindungsgemäßen Spannungswandlers zum Schalten zwischen zwei Topologien vorhanden ist. Bevorzugt sind 1 bis 14 LEDs in Reihenschaltung angeschlossen. Besonders bevorzugt
sind 1 bis 20 LEDs in einer beliebigen Reihen- und/oder Parallelschaltung angeschlossen. In this way, a lighting system according to the invention is flexibly adaptable to the number of connected lamps, in particular LED, or different input voltages, and a high efficiency is achieved in that instead of a conventional buck converter, a switch of the voltage converter according to the invention for switching between two topologies is present. Preferably, 1 to 14 LEDs are connected in series. Especially preferred 1 to 20 LEDs are connected in any series and / or parallel connection.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Spannungswandler, 1 shows a voltage transformer according to the invention,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Spannungswandler, wobei der Schalter mittels eines Fig. 2 shows a voltage converter according to the invention, wherein the switch by means of a
Sperrelements und eines Schaltelements realisiert ist, Locking elements and a switching element is realized,
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Spannungswandler, wobei der Aufwärtswandler eineFig. 3 shows a voltage converter according to the invention, wherein the boost converter a
Induktivität, ein Schaltelement S1 , eine Diode und eine Kapazität aufweist, Fig. 4 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem erfind ungsgemä- ßen Spannungswandler. Inductance, a switching element S1, a diode and a capacitance, Fig. 4 shows a lighting device according to the invention with a voltage converter according to the invention.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Spannungswandler 1. Er weist einen Eingang 10 mit einer ersten Eingangsklemme 11 und einer zweiten Eingangsklemme 12 auf. Diese sind mit einem Aufwärtswandler 20 verbunden. Der Spannungswandler 1 weist außerdem einen Schalter 40 und einen Ausgang 30 mit einer ersten Ausgangsklemme 31 und einer zweiten Ausgangsklemme 32 auf. Die Ausgangsklemme 31 ist mit dem Aufwärtswandler 20 verbunden und die Ausgangsklemme 32 ist mit dem gemeinsamen Mittelanschluss des Schalters 40, hier ein Wechselschalter, verbunden. Die zwei anderen Anschlüsse des Schalters 40 sind mit jeweils einer der Eingangsklemmen 11 , 12 verbunden. Der Schalter 40 ist somit eingerichtet, die zweite Ausgangsklemme 32 entweder an die erste Eingangsklemme 11 (wie gezeigt) oder an die zweite Eingangsklemme 12 zu schalten. An die Ausgangsklemmen 31 , 32 ist eine Last schaltbar, an die Eingangsklemmen 11 , 12 eine Spannungsquelle. In der einen Topologie (wie gezeigt) ist die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 31 , 32, d.h. die Ausgangsspannung, die Potentialdifferenz zwischen erster Ausgangsklemme 31 und erster Eingangsklemme 11. In der zweiten Topologie ist die Ausgangsspannung die Potentialdifferenz zwischen erster Ausgangsklemme 31 und zweiter Eingangsklemme 12, jeweils abzgl. eines eventuellen Spannungsabfalls an dem Schalter 40.
Im Betrieb des Spannungswandlers 1 wird in Abhängigkeit der verwendeten Last ein Schaltzustand des Schalters 40 gesetzt. Der Aufwärtswandler 20 wandelt die an den Eingangsklemmen 11 , 12 anliegende Spannung in eine größere oder gleiche Spannung. 1 shows a voltage converter 1 according to the invention. It has an input 10 with a first input terminal 11 and a second input terminal 12. These are connected to an up-converter 20. The voltage converter 1 also has a switch 40 and an output 30 with a first output terminal 31 and a second output terminal 32. The output terminal 31 is connected to the boost converter 20 and the output terminal 32 is connected to the common center terminal of the switch 40, here a changeover switch. The two other terminals of the switch 40 are connected to one of the input terminals 11, 12, respectively. The switch 40 is thus arranged to switch the second output terminal 32 either to the first input terminal 11 (as shown) or to the second input terminal 12. To the output terminals 31, 32, a load is switchable to the input terminals 11, 12, a voltage source. In one topology (as shown), the voltage between the output terminals 31, 32, ie, the output voltage, is the potential difference between the first output terminal 31 and the first input terminal 11. In the second topology, the output voltage is the potential difference between the first output terminal 31 and the second input terminal 12 , each less a possible voltage drop across the switch 40. During operation of the voltage converter 1, a switching state of the switch 40 is set depending on the load used. The boost converter 20 converts the voltage applied to the input terminals 11, 12 into a greater or equal voltage.
Auf diese Weise ist mittels des Schalters 40 die Ausgangsspannung, auf zwei Stufen mittels zweier Topologien einstellbar. In this way, by means of the switch 40, the output voltage, adjustable in two stages by means of two topologies.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Spannungswandler 1 , wobei im Unterschied zu Fig. 1 der Schalter 40 mittels eines Sperrelements 42 und eines Schaltelements S2 41 realisiert ist. Zwischen der zweiten Ausgangsklemme 32 und der ersten Eingangsklemme 11 ist das Sperrelement 42 geschaltet. Zwischen der zweiten Ausgangsklemme 32 und der zweiten Eingangsklemme 12 ist das Schaltelement S2 41 geschaltet. FIG. 2 shows a voltage converter 1 according to the invention, wherein, in contrast to FIG. 1, the switch 40 is realized by means of a blocking element 42 and a switching element S2 41. Between the second output terminal 32 and the first input terminal 11, the blocking element 42 is connected. Between the second output terminal 32 and the second input terminal 12, the switching element S2 41 is connected.
Im Betrieb des Spannungswandlers 1 sperrt das Sperrelement 42 einen Strom zwischen den Eingangsklemmen 11 , 12 über das Schaltelement S2 41 , wenn dieses durchgeschaltet bzw. niederohmig ist. During operation of the voltage converter 1, the blocking element 42 blocks a current between the input terminals 11, 12 via the switching element S2 41 when it is turned on or low impedance.
Somit wird ein Kurzschluss verhindert wenn das Schaltelement S2 41 durchgeschaltet bzw. niederohmig ist, andererseits wird ein Strompfad zwischen der zweiten Ausgangsklemme 32 und der ersten Eingangsklemme 11 ermöglicht. Thus, a short circuit is prevented when the switching element S2 41 is turned on or low impedance, on the other hand, a current path between the second output terminal 32 and the first input terminal 11 is possible.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Spannungswandler 1 , wobei der Aufwärtswandler eine Induktivität 21 , ein Schaltelement S1 22, eine Diode 23 und eine Kapazität 24 aufweist, bevorzugt aus diesen besteht. Die Induktivität 21 ist an der ersten Eingangsklemme 11 angeschlossen und liegt in Reihe mit der Diode 23 zwischen der ersten Eingangsklemme 11 und der ersten Ausgangsklemme 31. Das Schaltelement S1 22 ist mit einem Anschluss zwischen der Induktivität 21 und der Diode 23 angeschlossen und mit dem anderen Anschluss an der zweiten Eingangsklemme 12 bzw. Masse. Die Kapazität 24 ist zwischen der ersten Ausgangsklemme 31 und der zweiten Eingangsklemme 12 bzw. Masse angeschlossen. Die Eingangsspannung 13 zwischen den Eingangsklemmen 11 , 12 ist positiv, genauso wie die Ausgangsspannung 33 zwi-
sehen den Ausgangsklemmen 31 , 32. Es ist eine Last 50 am Ausgang 30 angedeutet. Das Sperrelement 42 ist eine Diode, welche derart geschaltet ist, dass sie einen Stromfluss von der ersten Eingangsklemme 11 zu der zweiten Ausgangsklemme 32 sperrt. FIG. 3 shows a voltage converter 1 according to the invention, wherein the up-converter comprises, preferably consists of, an inductance 21, a switching element S1 22, a diode 23 and a capacitor 24. The inductor 21 is connected to the first input terminal 11 and connected in series with the diode 23 between the first input terminal 11 and the first output terminal 31. The switching element S1 22 is connected to one terminal between the inductor 21 and the diode 23 and with the other Connection to the second input terminal 12 or ground. The capacitance 24 is connected between the first output terminal 31 and the second input terminal 12 or ground. The input voltage 13 between the input terminals 11, 12 is positive, as well as the output voltage 33 between see the output terminals 31, 32. There is a load 50 at the output 30 indicated. The blocking element 42 is a diode which is connected in such a way that it blocks a flow of current from the first input terminal 11 to the second output terminal 32.
Im Betrieb der Erfindung wird über die Induktivität 21 , das Schaltelement S1 22, die Diode 23 und die Kapazität 24 die Eingangsspannung 13 gewandelt, wobei im Ergebnis die Spannung zwischen der ersten Ausgangsklemme 31 und der zweiten Eingangsklemme 12 größer oder gleich der Eingangsspannung 13 ist. Die Wandlung erfolgt gemäß dem bekannten Prinzip der Aufwärtswandlung. Dabei wird das Schaltelement S2 22 getaktet angesteuert. Mittels (einmaligen) Schaltens bzw. Einstellen oder Setzen des Schaltelements S2 41 wird diejenige der beiden möglichen Topolo- gien ausgewählt, welche einen für die Last 50 gewünschten Betriebspunkt besser realisiert. Ist das Schaltelement S2 41 durchgeschaltet bzw. niederohmig, so ist die Last 50 mittels der Ausgangsklemme 32 nach Masse bzw. Bezugspotential der zweiten Eingangsklemme 12 geschaltet. Dieser Strompfad der Last 50 entspricht einer klassischen Boost-Topologie. Ist das Schaltelement S2 41 nicht durchgeschaltet bzw. hochohmig, fließt der Strom über die Last 50 durch die Diode 42 zur ersten Eingangsklemme 11. Dieser Strompfad der Last 50 entspricht der sogenannten Buck- Boost- Topologie. In the operation of the invention, the input voltage 13 is converted via the inductor 21, the switching element S1 22, the diode 23 and the capacitor 24, as a result, the voltage between the first output terminal 31 and the second input terminal 12 is greater than or equal to the input voltage 13. The conversion takes place according to the known principle of up-conversion. In this case, the switching element S2 22 is controlled clocked. By means of (one-time) switching or setting or setting of the switching element S2 41, that of the two possible topologies is selected which better realizes an operating point desired for the load 50. If the switching element S2 41 is turned on or low resistance, then the load 50 is connected by means of the output terminal 32 to ground or reference potential of the second input terminal 12. This current path of the load 50 corresponds to a classic boost topology. If the switching element S2 41 is not turned on or high impedance, the current flows through the load 50 through the diode 42 to the first input terminal 11. This current path of the load 50 corresponds to the so-called buck-boost topology.
Auf diese Weise ist der erfindungsgemäße Spannungswandler 1 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Spannungswandlung mit der Möglichkeit eines Umschaltens der Topologie zur Anpassung des Spannungswandlers 1 an die angeschlossene Last 50 und/oder die Eingangsspannung 13 mit einfachen Bauelementen möglich. Somit kann je nach Eingangsspannung 13 und/oder Anzahl von z.B. LEDs als Lasten die Topologie umgeschaltet werden um die bestmögliche Betriebsart zur Ansteuerung der LEDs zu erreichen. In this way, the voltage converter 1 according to the invention or the method according to the invention for voltage conversion with the possibility of switching the topology for adapting the voltage converter 1 to the connected load 50 and / or the input voltage 13 with simple components is possible. Thus, depending on the input voltage 13 and / or number of e.g. LEDs are switched as loads the topology to achieve the best possible mode for driving the LEDs.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Spannungswandler 1. Die Beleuchtungseinrichtung weist außerdem eine LED 51 als Last auf. Sie ist mit der Kathode an die zweite Ausgangsklemme 32 geschaltet. Im Unterschied zu dem in Fig. 3 gezeigten Spannungswandler 1 weist dieser
Spannungswandler 1 zusätzlich einen eingangsseitigen Glättungskondensator 25 auf. Weiterhin ist am Eingang 10 eine Batterie 14 angeschlossen und die Schaltelemente S1 22 und S2 41 sind als MOS-FETs realisiert, die jeweils mittels eines Steuersignals 26 bzw. 43 ansteuerbar sind. 4 shows an illumination device according to the invention with a voltage converter 1 according to the invention. The illumination device also has an LED 51 as a load. It is connected to the cathode to the second output terminal 32. In contrast to the voltage converter 1 shown in FIG. 3, this has Voltage converter 1 in addition to an input-side smoothing capacitor 25. Furthermore, a battery 14 is connected to the input 10 and the switching elements S1 and S2 S2 41 are implemented as MOS-FETs, which are each controlled by a control signal 26 and 43 respectively.
In Betrieb der Beleuchtungseinrichtung glättet der Glättungskondensator 25 Spannungsschwankungen, die z.B. durch andere an der Batterie 14 angeschlossene Verbraucher auftreten. In operation of the illumination device, the smoothing capacitor 25 smoothes voltage fluctuations, e.g. occur by other connected to the battery 14 consumers.
Das Steuersignal 26 ist ein konstantes Taktsignal (z.B. 400kHz), bevorzugt ein PWM- Signal mit variablem Tastgrad. Somit ist die Stärke bzw. der Grad der Aufwärtswandlung einstellbar. Z.B. wird eine Dimmung der LEDs mit ca. 200Hz über einen Ein/Aus- Betrieb mit variierendem Tastgrad durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass diese Dimmung kostengünstiger ist als eine Dimmung mittels eines Lastschalters. The control signal 26 is a constant clock signal (e.g., 400kHz), preferably a variable duty cycle PWM signal. Thus, the strength or the degree of up-conversion is adjustable. For example, Dimming of the LEDs with approx. 200Hz is carried out via an ON / OFF operation with a varying duty cycle. This has the advantage that this dimming is cheaper than a dimming by means of a circuit breaker.
Mittels des Steuersignals 43 wird je nach Anzahl und/oder Verschaltung der angeschlossenen LEDs ein Umschalten auf die am besten geeignetste Topologie durchgeführt. Die Eingangsspannung ist z.B. 28V. Wenn das Schaltelement S2 43 durchgeschalten bzw. niederohmig ist, muss die Summe der Flussspannungen von in Reihe zwischen die Ausgangsklemmen 31 , 32 geschalteten LEDs im Strang größer sein als die Eingangsspannung, um einen ungewollten, nicht mehr beeinflussbaren, Strom zu verhindern. Wenn die Flussspannung einer LED z.B. 2V beträgt und wenn weniger als 14 LEDs in Reihe am Ausgang 30 angeschlossen sind, dann wird die Topologie mit nicht durchgeschaltetem bzw. hochohmigen Schaltelement S2 43 gewählt. In diesem Beispiel folgt somit, dass bis ca. 14LEDs das Schaltelement S2 43 offen bzw. hoch- ohmig ist und der Strom über das Sperrelement 42 fließt. Bei einer höheren Anzahl von angeschlossenen LEDs ist es vorteilhaft, das Schaltelement S2 43 leitend bzw. niederohmig anzusteuern. By means of the control signal 43, depending on the number and / or interconnection of the connected LEDs, a switchover to the most suitable topology is carried out. The input voltage is e.g. 28V. If the switching element S2 43 is turned on or low impedance, the sum of the forward voltages of series connected between the output terminals 31, 32 LEDs in the strand must be greater than the input voltage to prevent unwanted, no longer influenced, current. If the forward voltage of an LED is e.g. 2V and if less than 14 LEDs are connected in series at the output 30, then the topology with non-switched or high-impedance switching element S2 43 is selected. In this example, it thus follows that the switching element S2 43 is open or high-resistance until approximately 14 LEDs, and the current flows via the blocking element 42. With a higher number of connected LEDs, it is advantageous to drive the switching element S2 43 conductive or low resistance.
In einer Variante ist die Diode 42 als Transistor ausgeführt und wird wie das Schaltelement S2 43 über ein Signal angesteuert. Bevorzugt ist dieses Signal ein getaktetes PWM-Signal mit variablem Tastgrad. Hierdurch ist ebenfalls eine Dimmung der LEDs durchführbar.
In einer weiteren Variante ist das Schaltsignal 43 ein PWM-Signal mit variablem Tastgrad. Auf diese Weise ist auf eine andere oder zusätzliche Weise eine Dimmung der LEDs durchführbar. In a variant, the diode 42 is designed as a transistor and is like the switching element S2 43 driven by a signal. This signal is preferably a clocked PWM signal with a variable duty cycle. As a result, a dimming of the LEDs is also feasible. In a further variant, the switching signal 43 is a PWM signal with a variable duty cycle. In this way, a dimming of the LEDs is feasible in another or additional way.
Mit dieser Erfindung ist somit erstmals ein Spannungswandler, eine Beleuchtungseinrichtung und ein Verfahren zum Wandeln einer Spannung bereitgestellt worden, welche eine flexible Anpassung an verschiedene Lasten (z.B. verschiedene Anzahlen und/oder Verschaltungen von LEDs) und verschiedene Eingangsspannungen mit einfacher Schaltstruktur ermöglichen. Insbesondere ist mittels eines Schalters eine erste Topologie und eine zweite Topologie wählbar, wobei eine dieser Topologien einer Bo- ost-Topologie und die andere einer Buck-Boost-Topologie (bevorzugt nicht invertierend) entspricht, bzw. deren Effekt nachbildet. Mittels des Schalters ist die zweite Ausgangsklemme, welche bevorzugt diejenige Ausgangsklemme ist, die nicht direkt mit dem Aufwärtswandler verbunden ist, entweder an die eine oder die andere Eingangsklemme schaltbar. Das Potential der zweiten Ausgangsklemme ist an zwei verschiedene Potentiale ankoppelbar. Somit werden verschiedene Ausgangsspannungen der Spannungswandlers auf einfache Weise mit einem hohem Wirkungsgrad realisiert. Die bevorzugte Realisierung des Schalters durch ein elektronisch steuerbares Schaltelement S1 wie z.B. ein Transistor in Kombination mit einem Sperrelement wie z.B. einer Diode oder ebenfalls einem Transistor, ist äußerst kompakt und kostengünstig. Die Verwendung von schaltbaren Transistoren als Schaltelement S1 und/oder Schaltelement S2 und/oder als Sperrelement erlaubt eine flexible Einstellung eines Betriebspunkts der Schaltung bei angeschlossener Last unter Einstellung der Ansteuerparameter der Schalter, wozu z.B. der Tastgrad bzw. der Duty-Cycle einer PWM- Ansteuerung zählen. Je mehr PWM-angesteuerte Transistoren verwendet werden, desto größer ist die Flexibilität, wobei für jede PWM-Ansteuerung auch höhere Kosten anfallen.
Bezugszeichenliste With this invention, a voltage converter, a lighting device and a method for converting a voltage has thus been provided for the first time, which allow a flexible adaptation to different loads (eg different numbers and / or interconnections of LEDs) and different input voltages with a simple switching structure. In particular, a first topology and a second topology can be selected by means of a switch, one of these topologies corresponding to a bottom topology and the other to a buck-boost topology (preferably non-inverting), or simulating its effect. By means of the switch is the second output terminal, which is preferably that output terminal which is not directly connected to the up-converter, either switchable to one or the other input terminal. The potential of the second output terminal can be coupled to two different potentials. Thus, different output voltages of the voltage converter can be easily realized with high efficiency. The preferred implementation of the switch by an electronically controllable switching element S1, such as a transistor in combination with a blocking element such as a diode or a transistor, is extremely compact and inexpensive. The use of switchable transistors as a switching element S1 and / or switching element S2 and / or as a blocking element allows flexible adjustment of an operating point of the circuit with the load connected under adjustment of the control parameters of the switch, including, for example, the duty cycle or the duty cycle of a PWM control counting. The more PWM-driven transistors are used, the greater the flexibility, and for each PWM drive also higher costs incurred. LIST OF REFERENCE NUMBERS
I Spannungswandler 10 Eingang I voltage converter 10 input
I I Erste Eingangsklemme I I First input terminal
12 Zweite Eingangsklemme12 second input terminal
13 Eingangsspannung13 input voltage
14 Batterie 14 battery
20 Aufwärtswandler 20 boosters
21 Induktivität 21 inductance
22 Schaltelement S1 22 switching element S1
23 Diode 23 diode
24 Kapazität 24 capacity
25 Glättungskondensator 25 smoothing capacitor
26 Steuersignal 26 control signal
30 Ausgang 30 output
31 Erste Ausgangsklemme 31 First output terminal
32 Zweite Ausgangsklemme32 Second output terminal
33 Ausgangsspannung33 output voltage
40 Schalter 40 switches
41 Schaltelement S2 41 switching element S2
42 Sperrelement 42 blocking element
43 Steuersignal 43 control signal
50 Last 50 load
51 Leuchtmittel, LED
51 bulbs, LED
Claims
1. Spannungswandler (1 ), wobei der Spannungswandler (1 ) einen Eingang (10) mit einer ersten Eingangsklemme (11 ) und einer zweiten Eingangsklemme (12) aufweist und der Spannungswandler (1 ) einen Aufwärtswandler (20) und einen Ausgang (30) mit einer ersten Ausgangsklemme (31 ) und einer zweiten Ausgangsklemme (32) aufweist, 1. voltage converter (1), wherein the voltage converter (1) has an input (10) with a first input terminal (11) and a second input terminal (12) and the voltage converter (1) has a boost converter (20) and an output (30) having a first output terminal (31) and a second output terminal (32),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Spannungswandler (1 ) einen Schalter (40) aufweist, der eingerichtet ist, die zweite Ausgangsklemme (32) entweder auf das Potential der ersten Eingangsklemme (11 ) oder auf das Potential der zweiten Eingangsklemme (12) zu ziehen. the voltage converter (1) comprises a switch (40) arranged to pull the second output terminal (32) either to the potential of the first input terminal (11) or to the potential of the second input terminal (12).
2. Spannungswandler (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei der Schalter (40) ein Schaltelement S2 (41 ) und ein Sperrelement (42) aufweist. 2. Voltage converter (1) according to claim 1, wherein the switch (40) has a switching element S2 (41) and a blocking element (42).
3. Spannungswandler (1 ) gemäß Anspruch 2, wobei das Sperrelement (42) 3. voltage transformer (1) according to claim 2, wherein the blocking element (42)
schaltbar ist und der Spannungswandler (1 ) weiterhin eingerichtet ist, das Sperrelement (42) getaktet zu schalten. is switchable and the voltage converter (1) is further arranged to switch the blocking element (42) clocked.
4. Spannungswandler (1 ) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei der Spannungswandler (1 ) eingerichtet ist, das Schaltelement S2 (41 ) getaktet zu schalten. 4. voltage converter (1) according to one of claims 2 to 3, wherein the voltage converter (1) is arranged to switch the switching element S2 (41) clocked.
5. Spannungswandler (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufwärtswandler (20) eine Induktivität (21 ), ein Schaltelement S1 (22), eine Diode (23) und eine Kapazität (24) aufweist. A voltage converter (1) according to any one of the preceding claims, wherein the boost converter (20) comprises an inductor (21), a switching element S1 (22), a diode (23) and a capacitor (24).
6. Spannungswandler (1 ) gemäß Anspruch 5, wobei der Spannungswandler (1 ) eingerichtet ist, das Schaltelement S1 (22) mit variablem Tastgrad getaktet zu schalten.
- 2 - 6. voltage converter (1) according to claim 5, wherein the voltage converter (1) is adapted to switch the switching element S1 (22) clocked with a variable duty cycle. - 2 -
7. Beleuchtungseinrichtung für ein Fahrzeug, 7. lighting device for a vehicle,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Beleuchtungseinrichtung einen Spannungswandler (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist sowie mindestens ein Leuchtmittel (51), welches am Ausgang (30) des Spannungswandlers (1 ) angeschlossen ist. the lighting device has a voltage converter (1) according to one of the preceding claims and at least one lighting means (51) which is connected to the output (30) of the voltage converter (1).
8. Verfahren zum Wandeln einer Spannung mittels eines Spannungswandlers (1 ), der einen Eingang (10) mit einer ersten Eingangsklemme (11) und einer zweiten Eingangsklemme (12) aufweist und der einen Aufwärtswandler (20) und einen Ausgang (30) mit einer ersten Ausgangsklemme (31 ) und einer zweiten Ausgangsklemme (32) aufweist, wobei folgender Schritt durchgeführt wird a) Aufwärtswandeln einer Eingangsspannung (13); 8. A method for converting a voltage by means of a voltage converter (1) having an input (10) with a first input terminal (11) and a second input terminal (12) and having a boost converter (20) and an output (30) with a a first output terminal (31) and a second output terminal (32), wherein the following step is performed: a) upconverting an input voltage (13);
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
folgender Schritt durchgeführt wird: the following step is carried out:
b) Setzen eines von mindestens zwei möglichen Schaltzuständen eines Schalters (40), wobei in einem ersten Schaltzustand die zweite Ausgangsklemme (32) auf das Potential der ersten Eingangsklemme (11 ) gezogen wird und in einem zweiten Schaltzustand die zweite Ausgangsklemme (32) auf das Potential der zweiten Eingangsklemme (12) gezogen wird. b) setting one of at least two possible switching states of a switch (40), wherein in a first switching state, the second output terminal (32) is pulled to the potential of the first input terminal (11) and in a second switching state, the second output terminal (32) on the Potential of the second input terminal (12) is pulled.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zusätzlich einer oder beide der folgenden Schritte durchgeführt werden: The method of claim 8, wherein additionally one or both of the following steps are performed:
- taktweises Schalten eines Sperrelements (42) des Schalters (40); - Clockwise switching of a blocking element (42) of the switch (40);
- taktweises Schalten eines Schaltelements S2 (41) des Schalters (40). - Clockwise switching of a switching element S2 (41) of the switch (40).
10. Verfahren nach Anspruch 8 bis 9, wobei ferner der Schritt durchgeführt wird: 10. The method of claim 8 to 9, further comprising the step of:
- taktweises Schalten eines Schaltelements S1 (22) des Aufwärtswandlers (20) mit variablem Tastgrad.
Clockwise switching of a switching element S1 (22) of the step-up converter (20) with a variable duty cycle.
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