WO2015007713A1 - Vorrichtung und verfahren zum direkten betreiben einer mehrzahl von leuchtdioden an einer pulsierenden gleichspannung - Google Patents

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WO2015007713A1
WO2015007713A1 PCT/EP2014/065094 EP2014065094W WO2015007713A1 WO 2015007713 A1 WO2015007713 A1 WO 2015007713A1 EP 2014065094 W EP2014065094 W EP 2014065094W WO 2015007713 A1 WO2015007713 A1 WO 2015007713A1
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led
current control
led group
voltage
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PCT/EP2014/065094
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Inventor
Norbert Budnik
Original Assignee
RIVA GmbH Lighting
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    • 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]
    • H05B45/40—Details of LED load circuits
    • H05B45/44—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix
    • H05B45/48—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix having LEDs organised in strings and incorporating parallel shunting devices

Definitions

  • the present invention relates to a device for directly operating a plurality of light emitting diodes (LEDs) on a pulsating DC voltage, in particular on a rectified mains voltage, with LED groups, each comprising at least one LED of the plurality of LEDs, with a plurality of current control circuits for driving in each case one LED group, wherein the current control circuits are designed such that, as the current value increases over time, a current flows through the respective LED group as a function of a threshold current predetermined for the respective LED group.
  • LEDs light emitting diodes
  • the present invention relates to a method for directly operating a plurality of light emitting diodes (LEDs) on a pulsating DC voltage, in particular on a rectified mains voltage, in which LED groups are used, each comprising at least one LED, wherein a plurality of current control circuits for driving is used in each case one LED group, wherein the current control circuits are designed such that, with increasing current value over time, a current flows through the respective LED group.
  • LEDs light emitting diodes
  • LEDs for lighting purposes is becoming increasingly important, in particular due to the high efficiency and long life of LEDs compared to conventional bulbs, especially incandescent.
  • LEDs require a DC voltage. Therefore, they can not be directly connected to an AC voltage, for example to the respective existing AC voltage network.
  • a connection to the AC voltage network is possible only with appropriately designed devices.
  • An example of such a device is known in particular from EP 2 523 531 AI.
  • the device disclosed therein comprises Chains of series-connected LEDs with associated power control circuits, which is operated with a pulsating DC voltage, wherein the pulsating DC voltage in a known manner from the provided AC voltage of the supply network by rectification, in particular with a bridge rectifier generated.
  • the pulsating DC voltage can therefore in particular have a voltage curve which is defined by successive, positive, sinusoidal half-waves.
  • the basic structure of such a circuit known from EP 2 523 531 A1, which will be described in more detail, is shown schematically in FIG.
  • the individual links of the illustrated LED chain are connected in series.
  • the current control circuits are designed in such a way that their short-circuiting switches are successively closed in dependence on the instantaneous supply voltage or the current flowing therefrom, so that LED groups are energized and de-energized successively with increasing and decreasing supply voltage or the current flowing therefrom , In other words, not all the LEDs light up at the same time; instead, the LED groups in the LED chain are switched on one after the other and switched off again in the reverse order.
  • each current control circuit comprises at least one charge storage, which is assigned to each one LED group, and that the charge storage in the current control circuit is arranged such that it can be loaded with increasing current value over time and is at least partially dischargeable in the course of time decreasing current value by a discharging via the LED group discharge current.
  • the development proposed according to the invention makes it possible, in particular, for the light-emitting diodes to still flow, even when the current value, in which current control circuits known from the prior art do not allow a current to flow across the LEDs of the LED group, namely from the charge store and from this in the opposite direction as the charging current for charging the charge storage. In this way, the lighting time or lighting duration of each LED group can be significantly extended.
  • the current control circuit it is possible to adjust the difference between a maximum illumination time of an LED group and a residual illumination of the same so that no or virtually no flicker is perceived.
  • a further advantage of this procedure is that the device as a whole can behave virtually like an ohmic resistance, so that a high degree of efficiency and also a high power factor for the device as a whole can be achieved.
  • the charge storage of its associated LED group is connected in parallel. In this way it can be charged by a part of the branched operating current to operate the LED group. Likewise, then also discharge of the charge storage under appropriate conditions, the discharge current flow through the LED group to light up the LEDs.
  • each LED group comprises two or more LEDs which are connected in series. So it is possible in particular, all the LEDs of Vorrich- in series.
  • the provision of two or more LEDs per LED group enables a compact construction of the device, since not every LED requires its own current control circuit.
  • each current control circuit together with its associated LED group forms an LED switching unit, which is designed as a two-terminal electrical.
  • each LED switching unit includes an LED group having at least one, up to six LEDs, and a power control circuit.
  • the switching unit as a whole is preferably designed as a two-terminal, so that any number of basically identically constructed LED switching units can be connected in series.
  • switches or switching elements in the form of transistors to form the current control circuits can be completely dispensed with a supply of the same by an external operating voltage, which additionally reduces the circuit complexity for the device.
  • the LED switching units are connected in series.
  • a chain-like structure of the device is possible. This has the advantage that a peak value of the supply voltage can be fully utilized in order to power LEDs connected in series. In particular, electrical losses during operation of the LEDs can be minimized.
  • each current control circuit comprises at least one first switching element, which is connected in parallel to the LED group and is electrically nonconductive below a predetermined threshold current for the respectively associated current control circuit and above the predetermined threshold current.
  • the switching elements serve, in particular, to connect successive LED groups as the current value increases, for example by the electrically conductive switches in the ground state becoming nonconductive, so that the available operating current flows via the LEDs. Since preferably each LED group is assigned a control current circuit, and each control current circuit has a different threshold current is preset, close the first switching elements of the power control circuits with increasing operating current in succession, thus enabling successively the energization of the associated LED groups. When the LED groups are switched on, the charge storage device is also charged at the same time as described above.
  • the first switching element becomes conductive again and virtually closes the switching unit briefly. Unlike the device known from EP 2 523 531 AI then shine in the inventively constructed device, the LEDs still further, since they are now operated with power from the charge storage.
  • each current control circuit comprises a current sensor for detecting the current flowing at the current control circuit as a function of the voltage and for driving the first switching element as a function of the flowing current.
  • a current sensor for detecting the current flowing at the current control circuit as a function of the voltage and for driving the first switching element as a function of the flowing current.
  • the current sensor can be formed in a particularly simple manner if it comprises a second switching element and an ohmic resistor for setting the current control threshold current.
  • the device can be designed in a particularly cost-effective and compact manner if the switching elements, in particular the first and the second switching element, are in the form of transistors, for example bipolar transistors or field-effect transistors.
  • a particularly simple and compact construction of the current control circuit can be achieved, in particular, in that a base of the first switching element is directly electrically conductively connected to a collector of the second switching element and if an emitter of the first switching element is directly connected is electrically connected to a base of the second switching element.
  • the voltage applied to the base of the first switching element can be predetermined by the second switching element as a function of the threshold current, in particular defined by the ohmic resistance, for the respective current control circuit.
  • Electrical energy in the form of charge for operating the LED groups can be buffered in a particularly simple and cost-effective manner if the charge store is designed in the form of a capacitor.
  • the charge store is designed in the form of a capacitor.
  • the capacitance of the respective capacitor is preferably selected as a function of the other components of the respective current control circuits.
  • each current control circuit comprises an RC element with an ohmic resistance and that the RC element comprises the charge store.
  • the RC element and the time constant predetermined by this it is possible by the RC element and the time constant predetermined by this, to minimize a difference between the maximum illumination duration of the LEDs of an LED group and a residual illumination of the same so that no or virtually no flicker is perceived.
  • the structure of the current control circuits can be further simplified in particular in that the ohmic resistance of the RC element is formed by an internal resistance of the at least one LED of the LED group. In other words, can be dispensed with an additional ohmic resistance.
  • the capacitor is preferably chosen as a function of the internal resistance of the LEDs of the LED group so that can therefore be dispensed with an additional component.
  • electrical losses of the device can be further reduced.
  • the charge storage is directly electrically connected to at least one of the switching elements.
  • this has the advantage that no additional interconnection is needed and according to the position in the series circuit of the LED groups, the resulting losses can be additionally reduced.
  • the charge storage is electrically connected to the base of the first / or second switching element.
  • both poles of the capacitor are each electrically connected to a base of a transistor. This makes it possible to use the voltage potential at the capacitor to control the transistors with.
  • each current control circuit comprises an additional diode, which is rectified in series with the at least one LED of the LED module. So allows the first closed first switching element a current flow through the LEDs of the LED assembly, this stream can also flow through the additional diode.
  • the additional diode prevents a backflow of the charge stored in the charge storage via the first switching element. As described above, the charge stored in the charge storage device can be drained via the LED group and thus used to generate light and thereby increase the overall efficiency of the device. The first switching element is thus decoupled from the charge storage and the LED group through the diode.
  • the positive pole of the charge store with a cathode of the diode and an anode of the at least one LED on the one hand and if the negative pole of the charge store with a cathode of at least one LED on the other hand is electrically connected.
  • an operation of the LED group can also be made possible if no operating current is available due to an opened first switching element for the LED group.
  • the device comprises a controlled by the pulsating DC voltage power source for power supply.
  • the device further comprises a rectifier for generating the pulsating DC voltage from a provided AC voltage of the supply network.
  • the rectifier can be designed in the form of a bridge rectifier.
  • the current source is designed in the form of a proportional current source.
  • each light pixel comprises at least two LEDs of different LED groups.
  • LEDs of different LED groups which are operated at different times in the course of the current, together result in a luminous pixel. If this is realized in an analogous manner in the case of several light pixels, a brightness compensation can be achieved between the LEDs, which operate for different lengths of time in the course of time, so as to enable a light output which is as homogeneous as possible overall.
  • all the LEDs of each luminous pixel are assigned to different LED groups. In this way, a particularly high homogeneity in the generation of light can be achieved.
  • each LED group associated with at least one charge storage which is charged with increasing over time, current value, and that the current control circuits are designed such that with decreasing current over time, the current flow is controlled so that the charge storage at least partially discharged by a discharging via the LED group discharge current becomes .
  • a charge storage in the manner described has the advantage that when, for example, in the device known from EP 2 523 531 AI no current would flow through the LED groups, but a current can flow, in the form of the Charge storage discharging charge.
  • the lighting duration of each LED group can be lengthened and the unpleasant flicker in conventional devices caused by the rapid switching on and off of the LEDs can be substantially avoided.
  • power circuits are used in which the charge storage of their associated LED group is connected in parallel.
  • discharge of the same via the LED group can be achieved on a simple instruction.
  • LED switching units designed as electrical double poles which each comprise a current control circuit and an LED group assigned to it.
  • LED switching units which are all connected in series and whose LED groups are operated directly or fed from the respective charge store as a function of the current operating voltage applied.
  • current control circuits which each comprise at least one first switching element which is connected in parallel to the associated LED groups and is electrically conductive below a threshold current predetermined for the respective current control circuit and electrically non-conductive above the predetermined threshold current.
  • the first switching element thus serves, in particular, to energize the LED group directly or to operate it indirectly via the charge store, depending on the respective threshold current that has been predetermined.
  • current control circuits which each comprise a current sensor for detecting the current applied to the current control circuit and for driving the first switching element as a function of the flowing current.
  • the current sensor serves to control the first switching element, ie to switch the respective LED group in a conductive or non-conductive manner as a function of the predetermined threshold current for the respective current control circuit.
  • current control circuits are used, each comprising an additional diode, which is rectified connected in series with the at least one LED of the associated LED group.
  • the additional diode when the additional diode is electrically conductively connected with its anode, for example, with the collector of the first switching element, the additional diode can prevent a discharge of the charge stored in the charge storage via the first switching element. The charge stored in the charge storage is virtually forcibly discharged via the LED group.
  • a power source controlled by the pulsating DC voltage is provided for the power supply.
  • the pulsating DC voltage is generated from the provided AC voltage of the supply network by rectification, in particular with a bridge rectifier.
  • the power source is provided in the form of a proportional power source.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an LED chain known from the prior art
  • Figure la a schematic diagram of a known from the prior art LED switching unit
  • Figure 2 is a schematic circuit diagram of a device according to the invention for direct operation of a plurality of LEDs on a pulsating DC voltage;
  • FIG. 2a shows a schematic circuit diagram of a device with three LED switching units
  • Figure 2b a schematic circuit diagram of three series-connected
  • FIG. 2c shows a schematic representation of an LED switching unit comprising an LED group and a current control circuit
  • Figure 3 a schematic representation of arrival and Auszupartyn of
  • FIG. 4 a schematic representation of the arrangement of LEDs different LED groups to light pixels.
  • an LED chain 10 as known from the prior art, for example from EP 2 523 531 A1, is shown schematically and designated overall by the reference numeral 10.
  • the LED chain 10 includes a plurality of LED switching units 12, which are connected in series between the outer terminals 14 and 16 of the LED chain 10.
  • Each LED switching element 12 comprises one or more LEDs 18 and a series-connected resistor 20, so that a total of a series circuit of the LEDs 18 and the resistors 20 results.
  • the current control circuits 24 of the LED chain 10 are basically identical in their structure, but differ in the parameters of their components, such as to control the LEDs 18 and the LED groups 22 formed of two or more LEDs 18 described above to enable a successive switching on of the LED groups 22 of the LED switching units 12 with increasing operating current.
  • the circuit arrangement shown schematically in FIG. 1 requires feeding the respective current control circuits 24 or switching elements thereof via the operating voltage so that a total of four-pole LED switching units 12 having four connection points 26a, 26b, 28a and 28b are formed.
  • the connection points 28a and 28b of an LED switching unit 12 are electrically conductively connected to the connection points 26a and 26b of a subsequent LED switching unit 12.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a device for directly operating a plurality of LEDs 18 on a pulsating DC voltage, for example, a rectified AC voltage, shown and designated overall by the reference numeral 30.
  • a rectifier 36 for example a bridge rectifier, with two connection points 38 is connected, which has two further connection points 40, on the one hand with two terminal contacts 44 of a current source and a first terminal contact 48 of a first resistor 46th are electrically connected and with a first terminal contact 50 of a second resistor 52, wherein the second connection contacts 54 of the resistors 46 and 52 are electrically conductively connected to one another at a further connection contact 58.
  • the rectifier 36 converts the AC voltage provided by the network into a pulsating DC voltage.
  • an LED chain 10 is arranged, which in FIG. 2 comprises, by way of example, four LED switching units 12 designed as electrical double poles 62.
  • the bipoles 62 are connected in series between the terminal contacts 50 and 60.
  • the device 30 is shown with a somewhat more detailed circuit structure.
  • the device 30 is shown with a somewhat more detailed circuit structure.
  • three LED switching units 12 are shown in FIG. 2a.
  • any number of LED switching units 12 can be provided, the number of which essentially depends on that of the sum of the threshold voltages of the series-connected LEDs 18 in relation to the external operating voltage.
  • the LED switching units 12 each comprise two series-connected LEDs 18, which form an LED group 22.
  • Each two pole 62 has a positive terminal contact 68 and a negative terminal contact 70.
  • the LED switching units 12 are connected in series in such a way that always a connection contact 68 is connected to a connection contact 70. Free ends of the LED chain 10 are on the one hand, namely the terminal contact 68, connected to the terminal contact 50, and on the other hand, namely the free terminal contact 70 of the LED chain 10, with a connection point 72.
  • connection point 72 is on the one hand an anode of a light emitting diode 18 and on the other hand connected a terminal contact of a resistor 64 which are connected in parallel to each other and electrically connected to their other ends, so the other terminal contacts of the resistor 64 and the cathode of the LED 18, with a common connection point 74.
  • the connection point 74 is in turn electrically conductively connected to the terminal contact 60 in connection.
  • the terminal contact 68 is electrically conductively connected to the collector 78 of a first switching element 76 in the form of a transistor 80 in electrically conductive connection.
  • the terminal 68 is further connected to an anode 82 of a diode 81.
  • the cathode 84 of the diode 81 is electrically connected to a connection point 86, to which a first end of a resistor 64 is electrically connected.
  • a second end of the resistor 64 is electrically connected to a first anode 88 of the LED group 22.
  • a free cathode 90 at the other end of the LED group 22 is electrically connected to a connection point 92. Between the connection points 86 and 92, a charge storage 94 in the form of a capacitor 96 is arranged to be electrically conductive. To a base contact 100 of the first switching element 76, a first end of a resistor 98 is electrically connected, the other end is electrically connected to the connection point 86. The base contact 100 is connected to a collector 102 of a second switching element 104, which is in the form of a transistor 106, electrically conductively connected. A base contact 108 of the second switching element 104 is electrically connected to an emitter 110 of the first switching element 76.
  • a first terminal contact 114 of a resistor 112 is electrically connected to the base contact 108 and the connection point 92.
  • a second terminal contact 118 of the resistor 112 is electrically conductively connected both to the emitter 116 of the second switching element 104 and to the terminal contact 70 in an electrically conductive manner.
  • the resistor 112 and the second switching element 104 together substantially form a current sensor 128 for detecting the current flowing in the current control circuit 24 in response to the voltage and for driving the first switching element 76 in response to the flowing current.
  • a time constant defined by the RC element 120 is set by specifying the internal resistance of the LED group 22 by appropriately selecting the capacitor 96.
  • FIG. 3 schematically shows the current profile 122, ie the time profile of the operating current provided by the current source 42. Only at the time t 0 no current flows. However, as soon as a small current flows, a corresponding voltage drops across the resistor 66 and the diode 18 connected in parallel with the resistor 66 lights up.
  • the adjoining the resistor 66 LED switching unit 12 is configured by appropriate choice of their components so that the first switching element 76 is conductive, so short-circuiting the terminal contact 68 and the first terminal contact 114.
  • a voltage corresponding to the predetermined threshold current drops, the potential at the base contact 100 drops so far that the first switching element 76 becomes nonconductive.
  • the current provided by the current source now flows through the diode 81 through the LED group 22, the LEDs are lit.
  • the diode 81 is rectified with the LEDs 18 connected in series.
  • the threshold current which corresponds to the switching current I s i, so start the LEDs 18 of this first LED switching unit 12 to light.
  • current also flows into the capacitor 96, which is thereby charged. The voltage dropping across it increases.
  • Successively connected in series LED switching units 12 are preferably configured with their components so that the respective directly downstream LED switching unit activates the LED group 22 at a slightly higher threshold current.
  • five such switching stages are schematically shown, which correspond to five LED switching units. It then results in the concrete Switching a staircase function, which is approximated to the ideal sinusoidal current waveform 122.
  • the voltage at the base contact 100 increases again successively until, when the switching threshold is reached, the first switching element 76 short-circuits the connection contact 68 and the first connection contact 114 again.
  • the LEDs 18 of the LED group 22 without the capacitor 96 would be de-energized. Since the diode 81 prevents current flow from the capacitor via the first short-circuited switching element 76, the charge stored in the charge storage 94 flows via the LED group 22. Consequently, the LEDs 18 of the LED group 22 also light up, even if they are not operated directly with the operating current. As a result, they do not go out, as is the case with the LEDs of the LED groups in the device from EP 2 523 531 A1. Since the time constant of the RC element 21 is ideally chosen so as to minimize the difference between the maximum illumination duration and the residual light of the LEDs 18, virtually no flicker can be perceived.
  • the internal resistance of the LEDs 18 can also be used. Prerequisite is a corresponding dimensioning of the capacitor 96. This further electrical losses of the device 30 are avoided.
  • the arrangement of the capacitor 96 in the manner described also has the advantage that a portion of the capacitor charge can be used to supply the base current of the first switching element 76, so that it is not from Operating current must be fed. As a result, further electrical losses within the LED chain 10 are minimized. Furthermore, by the base current supply from the capacitor 96, a further required connection point of the current control circuits 24 to the current source 42 can be omitted, as required in the arrangement of EP 2 523 531 A1.
  • each luminous pixel 126 includes, by way of example, six LEDs 18a to 18f.
  • the LEDs 18a form an LED group 22 of a first LED switching unit 12.
  • the LEDs 18b form an LED group 22 of a second LED switching unit 12. Accordingly, this also applies to the LEDs 18c to 18f.
  • each of the luminous pixels 126 formed in this special way by spatial arrangement has the same or essentially the same luminous intensity with its exemplary six LEDs 18a to 18f. This particular arrangement additionally reduces the, if any, very slight flicker impression.
  • the proposed device 30 makes it possible to operate LEDs 18 flicker-free on a pulsating DC voltage, which is generated for example by rectification directly from an available AC voltage of a supply network. This is achieved as already described by the fact that the first switching element 76 upon reaching a predetermined threshold current of the LED switching unit 12 does not open the short circuit directly to the supply of the LEDs 18, but also via the diode 81 to the capacitor 96. Its residual voltage is at this moment at about the minimum operating voltage of the LEDs 18 connected to the capacitor 96 via the resistor 64. Now, the current flows in parallel into both the capacitor 96 and the LED group 22. The charging voltage increases and the LEDs 18 take over most of the current.
  • the first switching element 76 is again conductive and the diode 81 is turned off. Until the threshold current is reached during the next half wave, the LEDs 18 fed from the capacitor 96, which is thereby partially discharged. Thereafter, the charging process starts again.
  • the device proposed according to the invention and the method proposed according to the invention can be adapted to any pulsating direct voltages and for different frequencies of the pulsating direct voltages by simply changing the number of LEDs connected in series and dimensioned for them.

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Abstract

Um eine Vorrichtung zum direkten Betreiben einer Mehrzahl von Leuchtdioden (LEDs) an einer pulsierenden Gleichspannung, insbesondere an einer Netzspannung, mit LED-Gruppen, die jeweils mindestens eine LED der Mehrzahl von LEDs umfassen, mit einer Mehrzahl von Stromsteuerschaltkreisen zur Ansteuerung jeweils einer LED-Gruppe, wobei die Stromsteuerschaltkreise derart ausgebildet sind, dass bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert in Abhängigkeit eines für die jeweilige LED-Gruppe vorgegebenen Schwellenstroms ein Strom durch die jeweilige LED-Gruppe fließt, so zu verbessern, dass die Leuchtdioden mit minimalem Flickern, vorzugsweise flickerfrei, an einer pulsierenden Gleichspannung betrieben werden können, wird vorgeschlagen, dass jeder Stromsteuerschaltkreis mindestens einen Ladungsspeicher umfasst, welcher jeweils einer LED-Gruppe zugeordnet ist, und dass der Ladungsspeicher im Stromsteuerschaltkreis derart angeordnet ist, dass er bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert ladbar und bei im Zeitverlauf abnehmenden Stromwert durch einen über die LED-Gruppe abfließenden Entladestrom mindestens teilweise entladbar ist. Ferner wird ein verbessertes Verfahren zum direkten Betreiben einer Mehrzahl von Leuchtdioden (LEDs) an einer pulsierenden Gleichspannung vorgeschlagen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum direkten Betreiben einer Mehrzahl von Leuchtdioden an einer pulsierenden Gleichspannung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum direkten Betreiben einer Mehrzahl von Leuchtdioden (LEDs) an einer pulsierenden Gleichspannung, insbesondere an einer gleichgerichteten Netzspannung, mit LED-Gruppen, die jeweils mindestens eine LED der Mehrzahl von LEDs umfassen, mit einer Mehrzahl von Stromsteuerschaltkreisen zur Ansteuerung jeweils einer LED- Gruppe, wobei die Stromsteuerschaltkreise derart ausgebildet sind, dass bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert in Abhängigkeit eines für die jeweilige LED-Gruppe vorgegebenen Schwellenstroms ein Strom durch die jeweilige LED-Gruppe fließt.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum direkten Betreiben einer Mehrzahl von Leuchtdioden (LEDs) an einer pulsierenden Gleichspannung, insbesondere an einer gleichgerichteten Netzspannung, bei welchem LED-Gruppen verwendet werden, die jeweils mindestens eine LED umfassen, wobei eine Mehrzahl von Stromsteuerschaltkreisen zur Ansteuerung jeweils einer LED-Gruppe verwendet wird, wobei die Stromsteuerschaltkreise derart ausgebildet sind, dass bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert ein Strom durch die jeweilige LED-Gruppe fließt.
Der Einsatz von LEDs zur Beleuchtungszwecken gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere aufgrund der hohen Effizienz und langen Lebensdauer von LEDs im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln, insbesondere Glühlampen. Zum Betrieb benötigen LEDs eine Gleichspannung . Daher können sie nicht direkt an eine Wechselspannung, beispielsweise an das jeweils vorhandene Wechselspannungsnetz, angeschlossen werden. Einen Anschluss an das Wechselspannungsnetz ist nur mit entsprechend dafür ausgebildeten Vorrichtungen möglich. Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung ist insbesondere aus der EP 2 523 531 AI bekannt. Die darin offenbarte Vorrichtung umfasst Ketten von in Serie geschalteten LEDs mit zugeordneten Stromsteuerschaltkreisen, die mit einer pulsierenden Gleichspannung betrieben wird, wobei die pulsierende Gleichspannung in bekannter weise aus der bereitgestellten Wechselspannung des Versorgungsnetzes durch Gleichrichtung, insbesondere mit einem Brückengleichrichter, erzeugt wird. Die pulsierende Gleichspannung kann also insbesondere einen Spannungsverlauf aufweisen, der durch aufeinanderfolgende, positive, sinusförmige Halbwellen definiert wird. Der prinzipielle Aufbau einer solchen aus der EP 2 523 531 AI bekannten Schaltung, die noch näher beschrieben wird, ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Die einzelnen Glieder der dargestellten LED-Kette sind in Serie geschaltet. Die Stromsteuerschaltkreise sind dabei derart ausgebildet, dass ihre kurzschließenden Schalter in Abhängigkeit der momentanen Speisespannung beziehungsweise des aufgrund derselben fließenden Stroms sukzessive geschlossen werden, so dass nacheinander mit zunehmender und abnehmender Speisespannung beziehungsweise des aufgrund derselben fließenden Stroms LED-Gruppen be- stromt und wieder unbestromt werden. Mit anderen Worten leuchten nicht alle LEDs gleichzeitig, es werden vielmehr die LED-Gruppen der LED-Kette nacheinander an- und in umgekehrter Reihenfolge wieder ausgeschaltet.
Die Folge eines Betriebs einer solchen LED-Kette an einer pulsierenden Gleichspannung, beispielsweise einer gleichgerichteten Wechselspannung, ist, dass entsprechend der Phasendauer die Stromspeisung einzelner LED-Gruppen impulsweise erfolgt. Da LEDs praktisch trägheitslos leuchten können, führt dies zu einem stroboskopartigen An- und Ausschalten der einzelnen LED-Gruppen. Dieses An- und Ausschalten kann als unangenehmes Flickern oder Flimmern wahrgenommen werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass die Leuchtdioden mit minimalem Flickern, vorzugsweise flickerfrei, an einer pulsierenden Gleichspannung betrieben werden können. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeder Stromsteuerschaltkreis mindestens einen Ladungsspeicher umfasst, welcher jeweils einer LED-Gruppe zugeordnet ist, und dass der Ladungsspeicher im Stromsteuerschaltkreis derart angeordnet ist, dass er bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert ladbar und bei im Zeitverlauf abnehmenden Stromwert durch einen über die LED-Gruppe abfließenden Entladestrom mindestens teilweise entladbar ist.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Weiterbildung ermöglicht es insbesondere, dass die Leuchtdioden auch bei abnehmendem Stromwert, bei welchem aus dem Stand der Technik bekannte Stromsteuerschaltkreise keinen Strom- fluss über die LEDs der LED-Gruppe ermöglichen, trotzdem ein Strom fließt, und zwar aus dem Ladungsspeicher und von diesem in entgegengesetzter Richtung wie der Ladestrom zum Laden des Ladungsspeichers. Auf diese Weise kann die Leuchtzeit oder Leuchtdauer jeder LED-Gruppe signifikant verlängert werden. Durch entsprechende Auslegung des Stromsteuerschaltkreises ist es möglich, den Unterschied zwischen einer maximalen Leuchtzeit einer LED- Gruppe und einem Restleuchten derselben so einzustellen, dass kein beziehungsweise praktisch kein Flickern mehr wahrgenommen wird. Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise ist zudem, dass sich die Vorrichtung insgesamt praktisch wie ein ohmscher Widerstand verhalten kann, so dass sich ein hoher Wirkungsgrad und auch ein hoher Power-Faktor für die Vorrichtung insgesamt erreichen lässt.
Vorzugsweise wird der Ladungsspeicher der ihm zugeordneten LED-Gruppe parallelgeschaltet. Auf diese Weise kann er durch einen Teil des abgezweigten Betriebsstroms zum Betreiben der LED-Gruppe geladen werden. Ebenso kann dann auch beim Entladen des Ladungsspeichers unter entsprechenden Bedingungen der Entladestrom über die LED-Gruppe fließen, um die LEDs leuchten zu lassen.
Günstig ist es, wenn jede LED-Gruppe zwei oder mehr LEDs umfasst, die in Serie geschaltet sind . So ist es insbesondere möglich, alle LEDs der Vorrich- tung in Serie zu schalten. Das Vorsehen von zwei oder mehr LEDs pro LED- Gruppe ermöglicht einen kompakten Aufbau der Vorrichtung, da nicht für jede LED ein eigener Stromsteuerschaltkreis erforderlich ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeder Stromsteuerschaltkreis zusammen mit der ihm zugeordneten LED-Gruppe eine LED-Schalteinheit bildet, welche als elektrischer Zweipol ausgebildet ist. Mit anderen Worten umfasst jede LED-Schalteinheit eine LED-Gruppe mit mindestens einer, bis zu sechs LEDs, sowie einen Stromsteuerschaltkreis. Die Schalteinheit insgesamt ist vorzugsweise als Zweipol ausgebildet, so dass eine beliebige Zahl im Prinzip identisch aufgebauter LED- Schalteinheiten in Serie geschaltet werden können. Insbesondere beim Einsatz von Schaltern oder Schaltelementen in Form von Transistoren zur Ausbildung der Stromsteuerschaltkreise kann so vollständig auf eine Speisung derselben durch eine externe Betriebsspannung verzichtet werden, was den Schaltungsaufwand für die Vorrichtung zusätzlich verringert.
Günstigerweise sind die LED-Schalteinheiten in Serie geschaltet. Dadurch ist insbesondere ein kettenartiger Aufbau der Vorrichtung möglich. Dies hat den Vorteil, dass ein Spitzenwert der Versorgungsspannung komplett ausgenutzt werden kann, um in Serie geschaltete LEDs zu bestromen. So können insbesondere elektrische Verluste beim Betreiben der LEDs minimiert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn jeder Stromsteuerschaltkreis mindestens ein erstes Schaltelement umfasst, das zur LED-Gruppe parallelgeschaltet ist und unterhalb eines für den jeweils zugeordneten Stromsteuerschaltkreis vorgegebenen Schwellenstroms elektrisch leitend und oberhalb des vorgegebenen Schwellenstroms elektrisch nichtleitend ist. Die Schaltelemente dienen insbesondere dazu, bei zunehmendem Stromwert sukzessive LED-Gruppen zuzuschalten, und zwar beispielsweise indem die im Grundzustand elektrisch leitenden Schalter nichtleitend werden, so dass der verfügbare Betriebsstrom über die LEDs fließt. Da vorzugsweise jeder LED-Gruppe ein Steuerstromschaltkreis zugeordnet ist, und jeder Steuerstromschaltkreis einen anderen Schwellenstrom vorgeben wird, schließen die ersten Schaltelemente der Stromsteuerschaltkreise mit zunehmendem Betriebsstrom nacheinander und ermöglichen so nacheinander die Bestromung der zugehörigen LED-Gruppen. Mit dem Anschalten der LED-Gruppen wird wie oben beschrieben gleichzeitig auch der Ladungsspeicher geladen . Wird der vorgegebene Schwellenstrom unterschritten wird, wird das erste Schaltelement wieder leitend und schließt quasi die Schalteinheit kurz. Anders als bei der aus der EP 2 523 531 AI bekannten Vorrichtung leuchten dann bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung die LEDs trotzdem noch weiter, da sie nun mit Strom aus dem Ladungsspeicher betrieben werden.
Ferner ist es günstig, wenn jeder Stromsteuerschaltkreis einen Stromsensor umfasst zum Detektieren des am Stromsteuerschaltkreis fließenden Stroms in Abhängigkeit der Spannung und zum Ansteuern des ersten Schaltelements in Abhängigkeit des fließenden Stroms. Mit einem solchen Stromsensor kann insbesondere auf einfache und sichere Weise das erste Schaltelement beim Erreichen des vorgegebenen Schwellenstroms nichtleitend beziehungsweise bei Unterschreiten der vorgegebenen Schwellenspannung zur Stromsteuerung leitend geschaltet werden.
Auf besonders einfache Weise ausbilden lässt sich der Stromsensor, wenn er ein zweites Schaltelement und einen ohmschen Widerstand zum Vorgeben des Schwellenstroms zur Stromsteuerung umfasst.
Besonders kostengünstig und kompakt ausbilden lässt sich die Vorrichtung, wenn die Schaltelemente, insbesondere das erste und das zweite Schaltelement, in Form von Transistoren, beispielsweise Bipolar-Transistoren oder Feldeffekt-Transistoren, ausgebildet sind .
Ein besonders einfacher und kompakter Aufbau des Stromsteuerschaltkreises lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass eine Basis des ersten Schaltelements direkt elektrisch leitend mit einem Kollektor des zweiten Schaltelements verbunden ist und wenn ein Emitter des ersten Schaltelements direkt elektrisch leitend mit einer Basis des zweiten Schaltelements verbunden ist. Auf diese Weise kann die an der Basis des ersten Schaltelements anliegende Spannung durch das zweite Schaltelement in Abhängigkeit des insbesondere durch den ohmschen Widerstand definierten Schwellenstroms für den jeweiligen Stromsteuerschaltkreis vorgegeben werden.
Auf besonders einfache und kostengünstige Weise lässt sich elektrische Energie in Form von Ladung zum Betreiben der LED-Gruppen Zwischenspeichern, wenn der Ladungsspeicher in Form eines Kondensators ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es denkbar verschiedene Arten von Kondensatoren einzusetzen, insbesondere Keramikkondensatoren, Kunstoff-Folienkondensatoren, Metallpapierkondensatoren und Elektrolytkondensatoren. Die Kapazität des jeweiligen Kondensators wird vorzugsweise in Abhängigkeit der anderen Bauteile der jeweiligen Stromsteuerschaltkreise ausgewählt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeder Stromsteuerschaltkreis ein RC-Glied mit einem ohmschen Widerstand umfasst und dass das RC-Glied den Ladungsspeicher um- fasst. Insbesondere ist es durch das RC-Glied und die von diesem vorgegebene Zeitkonstante möglich, einen Unterschied zwischen maximaler Leuchtdauer der LEDs einer LED-Gruppe und einem Restleuchten derselben so zu minimieren, so dass kein oder praktisch kein Flickern mehr wahrgenommen wird.
Der Aufbau der Stromsteuerschaltkreise lässt sich insbesondere dadurch weiter vereinfachen, dass der ohmsche Widerstand des RC-Glieds durch einen Innenwiderstand der mindestens einen LED der LED-Gruppe gebildet ist. Mit anderen Worten kann so auf einen zusätzlichen ohmschen Widerstand verzichtet werden. Der Kondensator wird in Abhängigkeit des Innenwiderstands der LEDs der LED-Gruppe vorzugsweise so gewählt, dass also auf ein zusätzliches Bauteil verzichtet werden kann. So können auch elektrische Verluste der Vorrichtung weiter verringert werden. Günstigerweise ist der Ladungsspeicher direkt elektrisch leitend mit mindestens einem der Schaltelemente verbunden. Insbesondere ist es so möglich, die im Ladungsspeicher gespeicherte Ladung zur Speisung beispielsweise auch des Basisstroms des ersten Schaltelements zu nutzen. Dadurch muss dieser nicht von der Betriebsspannung gespeist werden. Dies hat jedoch den Vorteil dass keine zusätzliche Verschaltung benötigt wird und entsprechend der Position in der Serienschaltung der LED-Gruppen die dabei entstehenden Verluste zusätzlich reduziert werden können.
Vorzugsweise ist der Ladungsspeicher mit der Basis des ersten/oder zweiten Schaltelements elektrisch leitend verbunden. Insbesondere sind beide Pole des Kondensators jeweils mit einer Basis eines Transistors elektrisch leitend verbunden. Dies ermöglicht es, das Spannungspotential am Kondensator zur Steuerung der Transistoren mit zu nutzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeder Stromsteuerschaltkreis eine zusätzliche Diode um- fasst, die zur mindestens einen LED der LED-Baugruppe gleichgerichtet in Serie geschaltet ist. Ermöglicht also das zuerst geschlossene erste Schaltelement einen Stromfluss über die LEDs der LED-Baugruppe, kann dieser Strom auch über die zusätzliche Diode fließen. Schließt hingegen das erste Schaltelement die LED-Gruppe kurz, indem das erste Schaltelement in den leitenden Zustand übergeht, verhindert die zusätzliche Diode einen Rückfluss der im Ladungsspeicher gespeicherten Ladung über das erste Schaltelement. Wie oben beschrieben kann die im Ladungsspeicher gespeicherte Ladung über die LED- Gruppe abfließen und so zum Erzeugen von Licht und damit zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung insgesamt genutzt werden. Das erste Schaltelement ist somit vom Ladungsspeicher und der LED-Gruppe durch die Diode entkoppelt.
Günstig ist es, wenn der positive Pol des Ladungsspeichers mit einer Kathode der Diode und einer Anode der mindestens einen LED einerseits und wenn der negative Pol des Ladungsspeichers mit einer Kathode der mindestens einen LED anderseits elektrisch leitend verbunden ist. So kann in Abhängigkeit insbesondere einer Zeitkonstante des RC-Glieds ein Betrieb der LED-Gruppe auch dann ermöglicht werden, wenn kein Betriebsstrom aufgrund eines geöffneten ersten Schaltelements für die LED-Gruppe zur Verfügung steht.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine durch die pulsierende Gleichspannung gesteuerte Stromquelle zur Stromversorgung. Günstigerweise umfasst die Vorrichtung ferner einen Gleichrichter zum Erzeugen der pulsierenden Gleichspannung aus einer bereitgestellten Wechselspannung des Versorgungsnetzes. Insbesondere kann der Gleichrichter in Form eines Brückengleichrichters ausgebildet sein .
Insbesondere ist es günstig, wenn die Stromquelle in Form einer Proportionalstromquelle ausgebildet ist.
Um für einen Anwender ein Flickern beziehungsweise Flimmern der LEDs der Vorrichtung weiter zu vermindern und um eine möglichst gleichmäßige Lichtemission zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn mehrere LEDs räumlich zu Leuchtpixeln angeordnet sind und wenn jedes Leuchtpixel mindestens zwei LEDs verschiedener LED-Gruppen umfasst. So kann insbesondere erreicht werden, dass LEDs unterschiedlicher LED-Gruppen, die zu unterschiedlichen Zeiten im Stromverlauf betrieben werden, gemeinsam ein Leuchtpixel ergeben. Wird dies bei mehreren Lichtpixeln in analoger Weise realisiert, kann ein Helligkeitsausgleich zwischen den im Zeitverlauf unterschiedlich lang betriebenen LEDs erreicht werden, um so eine insgesamt möglichst homogene Lichtausbeute zu ermöglichen.
Günstigerweise sind alle LEDs jedes Leuchtpixels unterschiedlichen LED-Gruppen zugeordnet. Auf diese Weise kann eine besonders große Homogenität bei der Lichterzeugung erreicht werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeder LED-Gruppe mindestens ein Ladungsspeicher zugeordnet ist, welcher bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert geladen wird, und dass die Stromsteuerschaltkreise derart ausgebildet sind, dass bei im Zeitverlauf abnehmendem Stromwert der Stromfluss so gesteuert wird, dass der Ladungsspeicher durch einen über die LED-Gruppe abfließenden Entladestrom mindestens teilweise entladen wird .
Einen Ladungsspeicher in der beschriebenen Weise vorzusehen hat den Vorteil, dass dann, wenn beispielsweise bei der aus der EP 2 523 531 AI bekannten Vorrichtung kein Strom über die LED-Gruppen fließen würde, doch ein Strom fließen kann, und zwar in Form der aus dem Ladungsspeicher abfließenden Ladung. Dadurch kann die Leuchtdauer jeder LED-Gruppe verlängert und das bei herkömmlichen Vorrichtungen durch das schnelle Ein- und Ausschalten der LEDs unangenehme Flickern im Wesentlichen beziehungsweise ganz vermieden werden.
Vorteilhafterweise werden Stromschaltkreise verwendet, bei denen der Ladungsspeicher der ihnen zugeordneten LED-Gruppe parallel geschaltet ist. Durch diese Anordnung des Ladungsspeichers kann auf einfache Weisung eine Entladung desselben über die LED-Gruppe erreicht werden.
Um insgesamt einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn als elektrische Zweipole ausgebildete LED- Schalteinheiten verwendet werden, die jeweils einen Stromsteuerschaltkreis und eine diesem zugeordnete LED-Gruppe umfassen. Insgesamt ist es so beispielsweise möglich, eine Kette aus LED-Schalteinheiten auszubilden, die alle in Serie geschaltet sind und deren LED-Gruppen in Abhängigkeit der jeweils anliegenden aktuellen Betriebsspannung direkt betrieben beziehungsweise aus dem jeweiligen Ladungsspeicher gespeist werden.
Um auf einfache und effektive Weise eine zur Verfügung stehende Spitzenspannung zu nutzen, ist es günstig, wenn in Serie geschaltete LED-Schalteinheiten verwendet werden. Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn Stromsteuerschaltkreise verwendet werden, welche jeweils mindestens ein erstes Schaltelement umfassen, das zur zugeordneten LED-Gruppen parallelgeschaltet ist und unterhalb eines für den jeweiligen Stromsteuerschaltkreis vorgegebenen Schwellenstroms elektrisch leitend und oberhalb des vorgegebenen Schwellenstroms elektrisch nichteitend ist. Das erste Schaltelement dient also insbesondere dazu, abhängig von dem jeweils vorgegebenen Schwellenstrom die LED-Gruppe direkt zu bestromen oder indirekt über den Ladungsspeicher zu betreiben.
Ferner ist es günstig, wenn Stromsteuerschaltkreise verwendet werden, welche jeweils einen Stromsensor umfassen zum Detektieren des am Stromsteuerschaltkreis anliegenden Stroms und zum Ansteuern des ersten Schaltelements in Abhängigkeit des fließenden Stroms. Der Stromsensor dient insbesondere dazu, das erste Schaltelement zu steuern, also die jeweilige LED- Gruppe in Abhängigkeit des vorgegebenen Schwellenstroms für den jeweiligen Stromsteuerschaltkreis leitend beziehungsweise nichtleitend zu schalten.
Vorzugsweise werden Stromsteuerschaltkreise verwendet, welche jeweils eine zusätzliche Diode umfassen, die zur mindestens einen LED der zugeordneten LED-Gruppe gleichgerichtet in Serie geschaltet ist. Insbesondere dann, wenn die zusätzliche Diode mit ihrer Anode beispielsweise mit dem Kollektor des ersten Schaltelements elektrisch leitend verbunden ist, kann die zusätzliche Diode einen Abfluss der im Ladungsspeicher gespeicherten Ladung über das erste Schaltelement verhindern . Die im Ladungsspeicher gespeicherte Ladung wird quasi zwangsweise über die LED-Gruppe abgeführt.
Vorteilhafterweise wird eine durch die pulsierende Gleichspannung gesteuerte Stromquelle zur Stromversorgung bereitgestellt. Günstigerweise wird die pulsierende Gleichspannung aus der bereitgestellten Wechselspannung des Versorgungsnetzes durch Gleichrichtung, insbesondere mit einem Brückengleichrichter, erzeugt. Günstigerweise wird die Stromquelle in Form einer Proportionalstromquelle bereitgestellt.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung . Es zeigen :
Figur 1 : eine schematische Prinzipskizze einer aus dem Stand der Technik bekannten LED-Kette;
Figur la : eine schematische Prinzipskizze einer aus dem Stand der Technik bekannten LED-Schalteinheit;
Figur 2 : eine schematische Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum direkten Betreiben einer Mehrzahl von Leuchtdioden an einer pulsierenden Gleichspannung;
Figur 2a : eine schematische Schaltskizze einer Vorrichtung mit drei LED- Schalteinheiten;
Figur 2b : eine schematische Schaltskizze von drei in Serie geschalteten
LED-Schalteinheiten;
Figur 2c: eine schematische Darstellung einer LED-Schalteinheit umfassend eine LED-Gruppe und einen Stromsteuerschaltkreis;
Figur 3 : eine schematische Darstellung von An- und Auszuständen von
LED-Gruppen in einer Halbwelle der Stromversorgung; und
Figur 4: eine schematische Darstellung der Anordnung von LEDs unterschiedlicher LED-Gruppen zu Leuchtpixeln. In Figur 1 ist eine LED-Kette 10 wie sie aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der EP 2 523 531 AI, bekannt ist, schematisch dargestellt und insgesamt mit den Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die LED-Kette 10 umfasst mehrere LED-Schalteinheiten 12, die zwischen die äußeren Anschlusspunkte 14 und 16 der LED-Kette 10 in Serie geschaltet sind . Jedes LED-Schaltelement 12 umfasst eine oder mehrere LEDs 18 und einen in Serie geschalteten Widerstand 20, so dass sich insgesamt eine Serienschaltung der LEDs 18 und der Widerstände 20 ergibt. Zum Steuern der LEDs 18 beziehungsweise der aus zwei oder mehr LEDs 18 ausgebildeten LED-Gruppen 22 dient jeweils ein Stromsteuerschaltkreis 24. Die Stromsteuerschaltkreise 24 der LED-Kette 10 sind in ihrem Aufbau prinzipiell identisch, unterscheiden sich jedoch durch die Parameter ihrer Bauelemente, um wie oben beschrieben ein sukzessives Einschalten der LED-Gruppen 22 der LED-Schalteinheiten 12 mit zunehmendem Betriebsstrom zu ermöglichen.
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Schaltungsanordnung erfordert es, die jeweiligen Stromsteuerschaltkreise 24 beziehungsweise Schaltelemente derselben über die Betriebsspannung zu speisen, so dass insgesamt vierpolige LED-Schalteinheiten 12 mit vier Anschlusspunkten 26a, 26b, 28a und 28b ausgebildet werden. Zur Ausbildung der LED-Kette 10 sind die Anschlusspunkte 28a und 28b einer LED-Schalteinheit 12 mit den Anschlusspunkten 26a und 26b einer darauffolgenden LED-Schalteinheit 12 elektrisch leitend verbunden.
In Figur 2 ist eine schematische Prinzipskizze einer Vorrichtung zum direkten Betreiben einer Mehrzahl von LEDs 18 an einer pulsierenden Gleichspannung, beispielsweise einer gleichgerichteten Wechselspannung, dargestellt und insgesamt mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet. An den Anschlusspunkten 32 und 34 zum Verbinden mit einer Wechselspannung ist ein Gleichrichter 36, beispielsweise ein Brückengleichrichter, mit zwei Anschlusspunkten 38 angeschlossen, welcher zwei weitere Anschlusspunkte 40 aufweist, die einerseits mit zwei Anschlusskontakten 44 einer Stromquelle und einem ersten Anschlusskontakt 48 eines ersten Widerstands 46 elektrisch leitend verbunden sind sowie mit einem ersten Anschlusskontakt 50 eines zweiten Widerstands 52, wobei die zweiten Anschlusskontakte 54 der Widerstände 46 und 52 an einem weiteren Anschlusskontakt 58 elektrisch leitend miteinander verbunden sind . Der Gleichrichter 36 wandelt die durch das Netz bereitgestellte Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung. Zwischen einem vierten Anschlusskontakt 60 der Stromquelle 42 und dem ersten Anschlusskontakt 50 ist eine LED-Kette 10 angeordnet, die in Figur 2 beispielhaft vier als elektrische Zweipole 62 ausgebildete LED-Schalteinheiten 12 umfasst. Die Zweipole 62 sind zwischen den Anschlusskontakten 50 und 60 in Serie geschaltet.
In Figur 2a ist die Vorrichtung 30 mit einem etwas detaillierteren Schaltungsaufbau dargestellt. Der Übersichtlichkeit wegen sind in Figur 2a lediglich drei LED-Schalteinheiten 12 dargestellt. Grundsätzlich kann eine beliebige Zahl von LED-Schalteinheiten 12 vorgesehen sein, wobei deren Zahl im Wesentlichen von dem von der der Summe der Schwellenspannungen der in Serie geschalteten LEDs 18 im Verhältnis zur externen Betriebsspannung abhängt.
Die LED-Schalteinheiten 12 umfassen jeweils zwei in Serie geschaltete LEDs 18, die eine LED-Gruppe 22 bilden. Jeder Zweipol 62 weist einen positiven Anschlusskontakt 68 und einen negativen Anschlusskontakt 70 auf. Die LED- Schalteinheiten 12 sind so in Serie zusammengeschaltet, dass stets ein Anschlusskontakt 68 mit einem Anschlusskontakt 70 verbunden ist. Freie Enden der LED-Kette 10 sind einerseits, nämlich der Anschlusskontakt 68, mit dem Anschlusskontakt 50 verbunden, und andererseits, nämlich der freie Anschlusskontakt 70 der LED-Kette 10, mit einem Verbindungspunkt 72. Mit dem Verbindungspunkt 72 ist einerseits eine Anode einer Leuchtdiode 18 und andererseits ein Anschlusskontakt eines Widerstands 64 verbunden, die zueinander parallel geschaltet und mit ihren anderen Enden, also den weiteren Anschlusskontakten des Widerstands 64 sowie der Kathode der LED 18, mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt 74 elektrisch leitend verbunden sind . Der Verbindungspunkt 74 steht wiederum elektrisch leitend mit dem Anschlusskontakt 60 in Verbindung . Zur Erläuterung des Aufbaus der LED-Kette 10 wird in Verbindung mit Figur 2c der Aufbau einer einzelnen LED-Schalteinheit 12 näher erläutert.
Der Anschlusskontakt 68 steht elektrisch leitend mit dem Kollektor 78 eines ersten Schaltelements 76 in Form eines Transistors 80 in elektrischer leitender Verbindung. Der Anschlusskontakt 68 in ferner mit einer Anode 82 einer Diode 81 verbunden. Die Kathode 84 der Diode 81 ist elektrisch leitend mit einem Verbindungspunkt 86 verbunden, an den ein erstes Ende eines Widerstands 64 elektrisch leitend angeschlossen ist. Ein zweites Ende des Widerstands 64 ist an eine erste Anode 88 der LED-Gruppe 22 elektrisch leitend angeschlossen.
Eine freie Kathode 90 am anderen Ende der LED-Gruppe 22 ist mit einem Verbindungspunkt 92 elektrisch leitend verbunden. Zwischen den Verbindungspunkten 86 und 92 ist ein Ladungsspeicher 94 in Form eines Kondensators 96 elektrisch leitend angeordnet. An einen Basiskontakt 100 des ersten Schaltelements 76 ist ein erstes Ende eines Widerstands 98 elektrisch leitend angeschlossen, dessen anderes Ende mit dem Verbindungspunkt 86 elektrisch leitend verbunden ist. Der Basiskontakt 100 ist mit einem Kollektor 102 eines zweiten Schaltelements 104, welches in Form eines Transistors 106 ausgebildet ist, elektrisch leitend verbunden. Ein Basiskontakt 108 des zweiten Schaltelements 104 ist mit einem Emitter 110 des ersten Schaltelements 76 elektrisch leitend verbunden. Ein erster Anschlusskontakt 114 eines Widerstands 112 ist mit dem Basiskontakt 108 und dem Verbindungspunkt 92 elektrisch leitend verbunden. Ein zweiter Anschlusskontakt 118 des Widerstands 112 ist elektrisch leitend sowohl mit dem Emitter 116 des zweiten Schaltelements 104 als auch mit dem Anschlusskontakt 70 elektrisch leitend verbunden. Der Widerstand 112 und das zweite Schaltelement 104 bilden zusammen im Wesentlichen einen Stromsensor 128 zum Detektieren des im Stromsteuerschaltkreis 24 fließenden Stroms in Abhängigkeit der Spannung und zum Ansteuern des ersten Schaltelements 76 in Abhängigkeit des fließenden Stroms.
Grundsätzlich kann auf den Widerstand 64 auch verzichtet werden, wenn das durch den Widerstand 64 und den Kondensator 96 ausgebildete RC-Glied 120 durch den Kondensator 96 und den Innenwiderstand der LED-Gruppe 22 gebildet wird . Mit anderen Worten wird eine durch das RC-Glied 120 definierte Zeitkonstante unter Vorgabe des Innenwiderstands der LED-Gruppe 22 durch entsprechende Wahl des Kondensators 96 eingestellt.
Die Funktionsweise des Stromsteuerschaltkreises 40 wird nachfolgend im Einzelnen erläutert.
In Figur 3 ist schematisch der Stromverlauf 122, also der zeitliche Verlauf des von der Stromquelle 42 bereitgestellten Betriebsstroms, schematisch dargestellt. Nur im Zeitpunkt t0 fließt kein Strom. Sobald jedoch ein kleiner Strom fließt fällt über dem Widerstand 66 eine entsprechende Spannung ab und die zum Widerstand 66 parallel geschaltete Diode 18 leuchtet.
Die sich an den Widerstand 66 anschließende LED-Schalteinheit 12 ist durch entsprechende Wahl ihrer Bauteile so konfiguriert, dass das erste Schaltelement 76 leitend ist, also den Anschlusskontakt 68 und den ersten Anschlusskontakt 114 kurzschließt. Sobald bei zunehmendem Strom am Widerstand 112 eine der vorgegebene Schwellenstrom entsprechende Spannung abfällt, fällt das Potential am Basiskontakt 100 so weit ab, dass das erste Schaltelement 76 nichtleitend wird. Der von der Stromquelle bereitgestellte Strom fließt nun über die Diode 81 durch die LED-Gruppe 22, die LEDs leuchten. Die Diode 81 ist mit den LEDs 18 gleichgerichtet in Serie geschaltet. Bei Erreichen des Schwellenstroms, der dem Schaltstrom Isi entspricht, beginnen also die Leuchtdioden 18 dieser ersten LED-Schalteinheit 12 zu leuchten. Gleichzeitig fließt auch Strom in den Kondensator 96, der dadurch aufgeladen wird . Die an ihm abfallende Spannung nimmt zu.
Nacheinander in Serie geschalteten LED-Schalteinheiten 12 sind mit ihren Bauteilen vorzugsweise so konfiguriert, dass die jeweils direkt nachgeordnete LED-Schalteinheit bei einem etwas höheren Schwellenstrom die LED-Gruppe 22 aktiviert. In Figur 3 sind schematisch fünf solche Schaltstufen eingezeichnet, die fünf LED-Schalteinheiten entsprechen. Es ergibt sich dann im konkre- ten Schaltverlauf eine Treppenfunktion, die an den idealen sinusförmigen Stromverlauf 122 angenähert ist.
Nach Überschreiten des Scheitelpunkts 124 des Stromverlaufs steigt die Spannung am Basiskontakt 100 wieder sukzessive an, bis bei Erreichen der Schaltschwelle das erste Schaltelement 76 den Anschlusskontakt 68 und den ersten Anschlusskontakt 114 wieder kurzschließt. Nun wären die LEDs 18 der LED- Gruppe 22 ohne den Kondensator 96 unbestromt. Da die Diode 81 einen Stromfluss aus dem Kondensator über das erste kurzgeschlossene Schaltelement 76 verhindert, fließt die im Ladungsspeicher 94 gespeicherte Ladung über die LED-Gruppe 22 ab. Die LEDs 18 der LED-Gruppe 22 leuchten folglich auch dann, wenn sie nicht direkt mit dem Betriebsstrom betrieben werden. Dadurch gehen sie nicht aus, wie dies bei den LEDs der LED-Gruppen in der Vorrichtung aus der EP 2 523 531 AI der Fall ist. Da die Zeitkonstante des RC- Glieds 21 idealerweise so gewählt ist, dass der Unterschied von maximaler Leuchtdauer und Restleuchten der LEDs 18 minimiert wird, kann praktisch kein Flickern mehr wahrgenommen werden.
In der beschriebenen Weise verhalten sich alle Stromsteuerschaltkreise 24 bei weiterem Abfall des Stroms. Nach und nach werden dann die LED-Gruppen 22 der LED-Schalteinheiten 12 nicht mehr mit dem von der Stromquelle 42 bereitgestellten Strom betrieben, sondern mit der im jeweiligen Kondensator 96 gespeicherten Ladung . Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die LEDs der LED-Gruppen 22 dauerhaft oder zumindest nahezu dauerhaft leuchten.
Wie beschrieben kann statt des Widerstands 64 auch der Innenwiderstand der LEDs 18 genutzt werden. Voraussetzung ist eine entsprechende Dimensionierung des Kondensators 96. Damit werden weitere elektrische Verluste der Vorrichtung 30 vermieden.
Die Anordnung des Kondensators 96 in der beschriebenen Weise hat ferner den Vorteil, dass ein Teil der Kondensatorladung zur Speisung des Basisstroms des ersten Schaltelements 76 genutzt werden kann, so dass dieser nicht vom Betriebsstrom gespeist werden muss. Dadurch werden weitere elektrische Verluste innerhalb der LED-Kette 10 minimiert. Ferner kann durch die Basisstromlieferung aus dem Kondensator 96 auch ein weiterer erforderlicher Anschlusspunkt der Stromsteuerschaltkreise 24 an die Stromquelle 42 entfallen, wie sie bei der Anordnung aus der EP 2 523 531 AI erforderlich ist.
Um Helligkeitsunterschiede bei den LEDs 18 von aufeinander folgenden LED- Schalteinheiten 12 auszugleichen, werden die LEDs 18 vorzugsweise in Form von Leuchtpixeln 126 angeordnet, wie dies schematisch in Figur 4 dargestellt ist. In Figur 4 umfasst jedes Leuchtpixel 126 beispielhaft sechs LEDs 18a bis 18f. Die LEDs 18a bilden eine LED-Gruppe 22 einer ersten LED-Schalteinheit 12. Die LEDs 18b bilden eine LED-Gruppe 22 einer zweiten LED-Schalteinheit 12. Entsprechend gilt dies auch für die LEDs 18c bis 18f. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass jedes der auf diese besondere Weise durch räumliche Anordnung ausgebildeten Leuchtpixel 126 mit seinen beispielhaft sechs LEDs 18a bis 18f dieselbe oder im Wesentlichen dieselbe Leuchtstärke aufweist. Diese besondere Anordnung verringert zusätzlich den, wenn überhaupt nur noch sehr schwach ausgeprägten, Flickereindruck.
Insgesamt ermöglicht es die vorgeschlagene Vorrichtung 30, LEDs 18 flickerfrei an einer pulsierenden Gleichspannung zu Betreiben, die beispielsweise durch Gleichrichtung direkt aus einer verfügbaren Wechselspannung eines Versorgungsnetzes erzeugt wird. Dies wird wie bereits beschrieben dadurch erreicht, dass das erste Schaltelement 76 bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenstroms der LED-Schalteinheit 12 nicht den Kurzschluss direkt zur Speisung der LEDs 18 öffnet, sondern über die Diode 81 auch zum Kondensator 96. Dessen Restspannung liegt in diesem Moment etwa bei der minimalen Betriebsspannung der über den Widerstand 64 an den Kondensator 96 angeschlossenen LEDs 18. Jetzt fließt der Strom parallel sowohl in den Kondensator 96 und die LED-Gruppe 22. Die Ladespannung steigt an und die LEDs 18 übernehmen den größten Teil des Stroms. Am Ende einer solchen Phasenzeit wird das erste Schaltelement 76 wieder leitend und die Diode 81 sperrt. Bis zum Erreichen des Schwellenstroms während der nächsten Halbwelle werden die LEDs 18 aus dem Kondensator 96 gespeist, der dabei teilweise entladen wird Danach beginnt der Aufladeprozess wieder erneut.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung und das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren können durch einfache Änderung der Zahl der in Reihe geschalteten LEDs an beliebige pulsierende Gleichspannungen und für unterschiedliche Frequenzen der pulsierenden Gleichspannungen angepasst und für diese dimensioniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (30) zum direkten Betreiben einer Mehrzahl von Leuchtdioden (18) (LEDs) an einer pulsierenden Gleichspannung, insbesondere an einer Netzspannung, mit LED-Gruppen (22), die jeweils mindestens eine LED (18) der Mehrzahl von LEDs (18) umfassen, mit einer Mehrzahl von Stromsteuerschaltkreisen (24) zur Ansteuerung jeweils einer LED-Gruppe (22), welche Stromsteuerschaltkreise (24) derart ausgebildet sind, dass bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert in Abhängigkeit eines für die jeweilige LED-Gruppe (22) vorgegebenen Schwellenstroms ein Strom durch die jeweilige LED-Gruppe (22) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsteuerschaltkreis (24) mindestens einen Ladungsspeicher (94) umfasst, welcher jeweils einer LED-Gruppe (22) zugeordnet ist, und dass der Ladungsspeicher (94) im Stromsteuerschaltkreis (24) derart angeordnet ist, dass er bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert ladbar und bei im Zeitverlauf abnehmendem Stromwert durch einen über die LED-Gruppe (22) abfließenden Entladestrom mindestens teilweise entladbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsspeicher (94) der ihm zugeordneten LED-Gruppe (22) parallelgeschaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede LED-Gruppe (22) zwei oder mehr LEDs (18) umfasst, die in Serie geschaltet sind.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsteuerschaltkreis (24) zusammen mit der ihm zugeordneten LED-Gruppe (22) eine LED-Schalteinheit (12) bildet, welche als elektrischer Zweipol (62) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die LED- Schalteinheiten (12) in Serie geschaltet sind.
6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsteuerschaltkreis (24) mindestens ein erstes Schaltelement (76) umfasst, das zur LED-Gruppe (22) parallelgeschaltet ist und unterhalb eines für den jeweils zugeordneten Stromsteuerschaltkreis (24) vorgegebenen Schwellenstroms elektrisch leitend und oberhalb des vorgegebenen Schwellenstroms elektrisch nichtleitend ist.
7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsteuerschaltkreis (24) einen Stromsensor (128) umfasst zum Detektieren des im Stromsteuerschaltkreis (24) fließenden Stroms in Abhängigkeit der Spannung und zum Ansteuern des ersten Schaltelements (76) in Abhängigkeit des fließenden Stroms.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (128) ein zweites Schaltelement (104) und einen ohmschen Widerstand (112) zum Vorgeben der Schwellenspannung zur Stromsteuerung umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (76) in Form von Transistoren (80, 106), insbesondere Bipolar-Transistoren oder Feldeffekt-Transistoren, ausgebildet sind .
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Basis (100) des ersten Schaltelements (76) direkt elektrisch leitend mit einem Kollektor (102) des zweiten Schaltelements (104) verbunden ist und dass ein Emitter (110) des ersten Schaltelements (76) direkt elektrisch leitend mit einer Basis (108) des zweiten Schaltelements (104) verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsspeicher (94) in Form eines Kondensators (96) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsteuerschaltkreis (24) ein RC-Glied (120) mit einem ohmschen Widerstand (64) umfasst und dass das RC-Glied (120) den Ladungsspeicher (94) umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ohm- sche Widerstand (64) des RC-Glieds (120) durch einen Innenwiderstand der mindestens einen LED (18) der LED-Gruppe (22) gebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsspeicher (94) direkt elektrisch leitend mit mindestens einem der Schaltelemente (76, 104) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsspeicher (94) mit der Basis (100, 108) des ersten und/oder zweiten Schaltelements (76, 104) elektrisch leitend verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsteuerschaltkreis (24) eine zusätzliche Diode (81) umfasst, die zur mindestens einen LED (18) der LED-Gruppe (22) gleichgerichtet in Serie geschaltet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Pol (86) des Ladungsspeichers (94) mit einer Kathode (84) der Diode (81) und einer Anode (88) der mindestens einen LED (18) einerseits und dass der negative Pol (92) des Ladungsspeichers (94) mit einer Kathode (90) der mindestens einen LED (18) andererseits elektrisch leitend verbunden ist.
18. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine durch die pulsierende Gleichspannung gesteuerte Stromquelle (42) zur Stromversorgung .
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stromquelle (42) in Form einer Proportionalstromquelle ausgebildet ist.
20. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere LEDs (18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f) räumlich zu Leuchtpixeln (126) angeordnet sind und dass jedes Leuchtpixel (126) mindestens zwei LEDs (18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f) verschiedener LED-Gruppen (22) umfasst.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass alle LEDs jedes Leuchtpixels (126) unterschiedlichen LED-Gruppen (22) zugeordnet sind.
22. Verfahren zum direkten Betreiben einer Mehrzahl von Leuchtdioden (18) (LEDs) an einer pulsierenden Gleichspannung, insbesondere an einer gleichgerichteten Netzspannung, bei welchem LED-Gruppen (22) verwendet werden, die jeweils mindestens eine LED (18) umfassen, wobei eine Mehrzahl von Stromsteuerschaltkreisen (24) zur Ansteuerung jeweils einer LED-Gruppe (22) verwendet wird, welche Stromsteuerschaltkreise (24) derart ausgebildet sind, dass bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert ein Strom durch die jeweilige LED-Gruppe (22) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass jeder LED-Gruppe (22) mindestens ein Ladungsspeicher (94) zugeordnet ist, welcher bei im Zeitverlauf zunehmendem Stromwert geladen wird, und dass die Stromsteuerschaltkreise (24) derart ausgebildet sind, dass bei im Zeitverlauf abnehmendem Stromwert der Stromfluss so gesteuert wird, dass der Ladungsspeicher (94) durch einen über die LED-Gruppe (22) abfließenden Entladestrom mindestens teilweise entladen wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass Stromsteuerschaltkreise (24) verwendet werden, bei denen der Ladungsspeicher (94) der ihnen zugeordneten LED-Gruppe (22) parallelgeschaltet ist.
24. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Zweipole (62) ausgebildete LED-Schalteinheiten (12) verwendet werden, die jeweils einen Stromsteuerschaltkreis (24) und eine diesem zugeordnete LED-Gruppe (22) umfassen.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie geschaltete LED-Schalteinheiten (12) verwendet werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass Stromsteuerschaltkreise (24) verwendet werden, welche jeweils mindestens ein erstes Schaltelement (76) umfassen, das zur zugeordneten LED-Gruppe (22) parallelgeschaltet ist und unterhalb einer für den jeweiligen Stromsteuerschaltkreis (24) vorgegebenen Schwellenspannung elektrisch leitend und oberhalb der vorgegebenen Schwellenspannung elektrisch nichtleitend ist.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass Stromsteuerschaltkreise (24) verwendet werden, welche jeweils einen Stromsensor (128) umfassen zum Detektieren des im Stromsteuerschaltkreis (24) fließenden Stroms in Abhängigkeit der Spannung und zum Ansteuern des ersten Schaltelements (76) in Abhängigkeit des fließenden Stroms.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass Stromsteuerschaltkreise (24) verwendet werden, welche jeweils eine zusätzliche Diode (81) umfassen, die zur mindestens einen LED (18) der zugeordneten LED-Gruppe (22) gleichgerichtet in Serie geschaltet ist.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die pulsierende Gleichspannung gesteuerte Stromquelle (42) zur Stromversorgung bereitgestellt wird .
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Stromquelle (42) in Form einer Proportionalstromquelle bereitgestellt wird .
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