WO2017081020A1 - Current control circuit and circuit arrangement for the same - Google Patents
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- H05B45/30—Driver circuits
- H05B45/35—Balancing circuits
Definitions
- the present invention relates to a current control circuit and a circuit arrangement comprising the current control circuit and a plurality of parallel consumer networks, each having a plurality of series-connected LEDs.
- the power control circuit is for distributing a current from a common power source to the plurality of power grids at a predetermined current dividing ratio.
- circuits are used in which a plurality of light sources, each comprising a plurality of diodes, emit light with a predefined, in particular the same luminosity.
- a predetermined current is supplied.
- the voltage across the individual diodes approximately 3 to 4V
- the accuracy of the distribution of the total supply current to the current branches over a wide current range for example for dimming the brightness
- a current control circuit for distributing a current from a common power source to a plurality of parallel load networks having a predetermined current dividing ratio.
- Each of the consumer networks has in particular a plurality of series-connected LEDs.
- the power control circuit has a self-locking one for each of the power networks
- Power transistor in particular field effect transistor, preferably MOSFET, in series with the consumer network
- a load resistor in series with the power transistor on its side remote from the load side, wherein a working potential is defined between the load resistor and the power transistor
- a control resistor whose one side is connected to a common control reference potential for the entire current control circuit
- a control transistor in particular bipolar transistor, which is connected in a formed between the working potential and the other, remote from the control reference potential side of the control resistor current path on.
- the control electrode of the control transistor is connected to the control electrodes of the control transistors of all other consumer networks to form a base common to all control transistors.
- a control electrode of the power transistor is connected to the current path between the control transistor and the control resistor, which are provided for exactly another of the consumer networks.
- the current is detected by the individual power networks by means of the load resistors and coupled by means of the control transistors to the power transistor of another consumer network.
- This cross-coupling or negative feedback independently regulates the ratio of the currents through the individual consumer networks.
- the coupling of the common base potential with the current paths between the control transistor and the control resistor may be formed by means of control diodes, wherein a respective control diode between each current path between the control transistor and the control resistor and the base potential is arranged. In this current path, there is a gate potential for driving the respective power transistor of the other consumer network.
- the base potential is coupled to the respective largest gate potential of all consumer networks.
- control electrodes of all current branches are connected to each other and form a reference working potential, which is connected by means of a compensation resistor to the base potential.
- the current control circuit may have a Zener diode which is connected between the control reference potential and a potential defined by the interconnected sides of the load resistors facing away from the respective power transistor.
- a plurality is a number of two or more.
- the plurality of consumer networks is preferably two, three or four.
- a consumer network is within the meaning of the invention, any circuit that requires the supply of electricity and causes a voltage drop.
- the consumer network has a series connection of a plurality of light-emitting diodes, that is to say a so-called LED chain.
- the application of the invention is not limited to the supply of LED chains.
- a conductor section can be designed in any desired manner, for example as a conductor track, connection pad or potential lake on a printed circuit board, a cable, a busbar, a stranded wire or the like.
- a current sink potential in the context of the invention is a potential that is lower than an input potential of a circuit.
- the current sink potential may be a collective sink potential of a circuit arrangement with the consumer networks and the current control circuit.
- the current sink potential is identical to the zero potential (the "ground") of the current source.
- the current sink potential can also be decoupled from the zero potential by an ohmic resistor.
- a control reference potential is a same external potential for the entire current control circuit, that is to say with respect to all branches of the current control circuit, which is decoupled from the consumer networks by an ohmic resistor (scaling resistor).
- circuit elements in all branches of the current control circuit can be understood to be dimensioned the same.
- the current is automatically distributed to the plurality of parallel load networks so that a predetermined current division ratio can be maintained with high accuracy and stability.
- the power control circuit has a simple structure and can be applied to two or more power networks. It is robust against current and circuit element tolerances and has good dynamic performance and low power dissipation. With the same working resistances, a uniform current sharing ratio between all consumer networks (50:50 for two consumer networks) can be achieved.
- the circuit allows the reuse of Thung transistors of conventional power control circuits and requires no further changes to the structure of existing, provided in the consumer networks LED chains.
- the control transistor according to the present invention may be a bipolar transistor. These can be constructed as an NPN transistor or as a PNP transistor. Depending on the design of the control transistor, the order and polarization of the circuit elements of the power control circuit with each other and with respect to the consumer networks may need to be adjusted.
- the control transistor is an npn transistor
- the load networks are provided on the side of a common main supply potential supplied by the power source, and the load resistors are connected to a common current sink potential.
- the working potential is a source potential of the power transistor and connected to an emitter of the control transistor
- the control electrode of a power network associated with a power transistor is connected to the collector of another consumer network associated control transistor is Control resistor connected to the collector of the control transistor, the control reference potential connected via a scaling resistor to the main supply potential and the control diode is connected so that their flow direction points to the reference working potential.
- the zener diode is connected so that its direction of flow points from the current sink potential to the control reference potential.
- the control transistor is a pnp transistor
- the load resistors are connected to a common main supply potential supplied by the power source, and the load networks are provided on the side of a common sink current potential.
- the working potential is a drain potential of the power transistor and connected to a collector of the control transistor
- the control electrode of a power network associated with a power transistor is connected to the emitter of another consumer network associated control transistor is Control resistor connected to the emitter of the control transistor
- the control reference potential is connected via a scaling resistor to the current sink potential
- the control diode is connected so that its flow direction points away from the reference working potential.
- Zener diode is connected so that its flow direction is from the main supply potential to the control reference potential.
- a compensation capacitor is connected in parallel with the compensation resistor. The dimensioning of the compensation capacitor can be used to optimize the dynamic behavior of the current control circuit.
- the power source is a DC power source.
- the power source may be a pulsed power source.
- the load resistors are fixed resistors. By dimensioning the load resistors, the current sharing ratio can be set.
- the working resistors are adjustable resistors (i.e., potentiometers). As a result, an adjustment of the current division ratio is possible.
- the working resistors thus have in particular a resistance ratio to one another, which may be selected according to the predetermined current division ratio.
- the predetermined current dividing ratio may optionally be a uniform or an uneven current dividing ratio.
- the supply voltage which results from a difference between the main supply potential and the current sink potential, is less than or equal to a predetermined limit value.
- the predetermined limit value may be, for example, 48 V, which facilitates the approval of a device equipped with the circuit.
- the given limit may also be chosen differently in other or changed legislations and / or technical contexts.
- a circuit arrangement having a plurality of parallel load networks, each of which in particular has a plurality of light emitting diodes in series, and a current control circuit for distributing a current from a common power source to the plurality of parallel power supply networks provided with a predetermined current division ratio.
- the current control circuit is constructed as described above.
- the consumer networks are identical, constructed in particular with an identical number of LEDs of identical type.
- FIG. 1 shows a circuit arrangement with a current control circuit according to a first exemplary embodiment of the present invention.
- Fig. 2 shows a circuit arrangement with a current control circuit according to a second embodiment of the present invention.
- Fig. 3 shows a circuit arrangement with a current control circuit according to a third embodiment of the present invention.
- FIGS. 1-10 are schematic circuit diagrams in the usual symbolic representation of the circuit elements.
- reference numerals may have an alphabetic prefix depending on the type of the designated circuit element or the designated physical quantity.
- a prefix C denotes a capacitor
- a prefix D denotes a diode
- a prefix P denotes a current source
- a prefix R denotes an ohmic resistor
- a prefix T denotes a transistor
- a prefix U denotes an electrical voltage
- a prefix V denotes an electrical potential.
- circuit elements or physical quantities with a specific prefix that is to say within a specific group of circuit elements or physical quantities, is functional in nature and should not be an indication of the number of circuit elements in the circuit arrangement.
- all circuit elements have the same or similar function on the same counter. It is possible, if appropriate, to prefer, but not in any case necessarily, that circuit elements with the same counter have the same typing and / or dimensioning.
- physical quantities which are given the same reference number in the figures, may be variable and may, but do not always have to, assume different values at different points in the circuit arrangement.
- FIG. 1 shows a circuit arrangement 100 with a current control circuit 30 according to a first exemplary embodiment of the present invention.
- a supply circuit 10 (dash-dotted line in the figure), two parallel current branches 20 which are supplied with power by the supply circuit 10, and a current control circuit 30 (indicated by dot-dashed lines in the figure) are provided ,
- the supply circuit 10 has a current source P1 whose negative pole is connected to a zero potential V0 and whose output potential is fed via a series resistor R1 to a main supply potential V1, which is common to all current branches 20 and the current control circuit 30.
- Each branch 20 branches off from the main supply potential V1 and in each case has a consumer network 40 (dash-dotted line in the figure).
- Each consumer network 40 has a plurality of light-emitting diodes D1 connected in series.
- the power supply networks 40 may be arranged on a same board as the remaining parts of the circuit arrangement or may alternatively be provided externally and integrated into the circuit arrangement 100 by means of connection terminals 60 or the like.
- a voltage drop U1 takes place, so that in each case a consumer potential V2 prevails at an output of the consumer networks 40.
- the current control circuit 30 serves to control the supply currents I divided into the current branches 20 from the main supply potential V1 with a predetermined, here uniform, current division ratio.
- the current control circuit 30 has two control branches 50, each of which is assigned to one of the current branches 20 and has both circuit elements in the respectively assigned current branch 20 and circuit elements outside the respective associated current branch 20.
- a power transistor T1 and a load resistance R2 which are connected downstream of the load network 40 in series in the order given in the respective branch 20, essential components of the current control circuit 30.
- the power transistor T1 is a self-locking field effect transistor, more specifically a self-locking MOS-FET but the scope of the invention is not limited to this particular case.
- the power transistor (MOSFET) T1 thus has a source s and a drain d as main electrodes and a gate g as a control electrode.
- the drain d of the respective power transistor T1 is connected to the downstream end of the respective consumer network 40 and is thus at the consumer potential V2.
- the source s of the power transistor T1 is connected to one side of the respective load resistor R2 and thus defines a working potential V3 for the load resistor R2.
- the other end of the load resistor R2 is connected to a common for all branches 20 sink potential V4.
- the current sink potential V4 in the present exemplary embodiment is identical to the zero potential V0 of the current source P1, but can in principle be any potential that is a suitable sink for the supply current (ie with respect to the main supply potential V1 taking into account the loads that occur).
- a voltage drop U2 occurring across the load resistor R2 is an essential variable for controlling the partial currents in the current branches 20.
- the current control circuit 30 also branches from the main supply potential V1 and initially has a scaling resistor R3 to scale the main supply potential V1 to a relatively lower main control potential V6, from which each control branch 50 is supplied.
- the control main potential V6 is also connected via a Zener diode D3 connected in the blocking direction to the common current sink potential V4. In other words, this also means that the low-side sides of the load resistors R2 of the current branch 20 are connected via the Zener diode D3 to the common control main potential V6 of the control branches 50.
- Each control branch 50 is connected via a control resistor R4 to the control main potential V6. Downstream of the control resistor R4, a control transistor T2 is provided.
- the control transistor T2 is in the present embodiment, a bipolar transistor (BPT), more specifically, an npn transistor.
- BPT bipolar transistor
- the control transistor T2 has a collector c and an emitter e as main electrodes and a base b as a control electrode.
- the collector c of the control transistor T2 is connected to the control resistor R4, and the emitter of the control transistor T2 is connected to the working potential V3 of the respective current branch 20.
- the working voltage U2 is tapped as a voltage drop across the load resistor R2, since this voltage drop corresponds to the difference between the working potential V3 and the common current sink potential V4. This is important for the current control since the voltage drop across the armature Beitswiderstand R2, thus the working voltage U2 and thus the working potential V3, proportional to the current flowing in the respective branch 20 current I is.
- the bases b of the control transistors T2 of the two control branches 50 are connected together and thus have a common base potential V7, via which they are supplied with power.
- the collector sides c of all control branches 50 are connected via a respective control diode D2 to a common control main potential V8, which in turn is connected to the common base potential V7 via a parallel connection of a balancing capacitor C1 and a balancing resistor R5.
- the current control circuit 30 is completed by the collector side c of the control transistor T2 of the control branch 50 assigned to a current branch 20 being connected to the gate g of the power transistor T1 of the respective other current branch 20.
- circuit elements As an exemplary compilation of circuit elements, the following types and dimensions can be specified:
- BC547B (alternatively: BCM e 847 DS)
- the automatic control of the currents I of the current branches 20 takes place with the circuit arrangement described above as follows.
- the working potential V3 of each current branch 20 is tapped by means of an emitter circuit with the two control transistors T2.
- the two control transistors are supplied with the same base potential V7.
- the "amplification” takes place by reducing the potential difference (V7-V3) between the base and the emitter at the control transistor T2 when the working potential V3 is increased, so that the electrical resistance of the transistor T2 between the collector side c and the emitter side e This also increases the voltage drop between the collector side c and the emitter side E. This additional voltage drop adds to the increased working potential V3 and forms the gate potential V5, with which the power transistor T1 of the respective other current branch 20 is driven.
- the two resistors R2 of the two current branches are identical, the two currents in the two current branches 20 are regulated to the same value Currents becomes in proportion of the two contradictions R2 is set.
- the ratio of the currents in the two current branches can be changed accordingly. Basically, you can also form one or both resistors R2 by a potentiometer, so that the current ratio is freely adjustable.
- the gate potential V5 of the power transistors T1 is respectively set to the reference working potential V8 by means of the control diodes D2, the reference working potential V8 corresponding to the respective higher of the two amplified working potentials V3 which form the gate potentials V5 of the power transistor T1.
- About the compensation resistor R5 is a base current for the control transistors T2 generated from the control main potential V8 out. This has the effect that the larger the main control potential V8, the larger the base current at the control transistors T2 and the more these transistors T2 conduct. As a result, more voltage drops at the upstream control resistors R4.
- the control resistors R4 are preferably set so that the gate voltage across the power transistors T1 can not exceed a predetermined threshold, which in the present case is about 1V.
- the voltage through the zener diode D3 is limited to an appropriate value of about about 33V.
- a constant behavior of the circuit is ensured independently of the potential difference V1 -V4 and thus independent of the total current of the current source PI.
- one of the consumer networks 40 has one light-emitting diode D1 more than the other consumer network 40.
- the additional light-emitting diode D1 is offset from the remaining light-emitting diodes D1 by a further connection terminal 60.
- the additional light-emitting diode D1 can, for example, be used for checking the current flow or, for example, by adding or bridging the additional light-emitting diode D1, for testing the control circuit.
- the circuit concept separates the power control with the power transistors T1 from the regulation of the current, which is realized with a control transistor pair T2, T2.
- the control transistor pair T2, T2 operates with coupled bases as differential amplifiers.
- the amplified current difference which is tapped as a voltage by means of the emitter e via the load resistors R2, is then applied via the collector outputs c to the gates g of the power transistors T1.
- the power transistors T1 were taken over in the actual implementation as a self-blocking MOSFETs of an existing LED circuit. These are so-called “digital power transistors", which are to be brought through a small gate voltage range from blocking to turn on (high gain of the gate voltage on the MOSFET on-resistance).
- a special feature of the present invention lies in the definition of the Referenzarbeitspotenti- as V8 (also referred to as a reference operating point), since the supply voltage varies in the application over a wide range in order to dim the LED strands can.
- V8 also referred to as a reference operating point
- the reference Operating point is stabilized to obtain a high control gain.
- the working point stabilization is achieved by two measures:
- FIG. 2 shows a circuit arrangement 200 having a current control circuit 30 according to a second exemplary embodiment of the present invention.
- a supply circuit 10 As shown in FIG. 2, in the circuit arrangement 200, there are provided a supply circuit 10, four parallel current branches 20 which are supplied with power by the supply circuit 10, and a current control circuit 30.
- the current control circuit 30 does not have two, but four control branches 50, corresponding to the number of current branches 20 to be supplied and controlled. Otherwise, the structure and the connection of each of the circuit parts 10, 20, 30, 40, 50 analogously apply to what was said for the preceding embodiment, so that a renewed description is omitted to avoid repetition. For reasons of clarity, FIG. 2 omits a re-drawing of the circuit parts 10, 30, 40.
- each consumer network 40 in each of which a plurality of light-emitting diodes D1 are arranged.
- the individual power branches 20 with respective consumer network 40 are via a respective associated control branch 50 of Current control circuit 30 coupled in a circular manner. Otherwise, this circuit arrangement 200 works in the same way as with two current branches 20.
- FIG. 3 shows a circuit arrangement 300 with a current control circuit according to a third exemplary embodiment of the present invention.
- the circuit arrangement 300 shown in FIG. 3 of this embodiment is functionally equivalent to the circuit arrangement 100 of the first exemplary embodiment shown in FIG. 1, with the difference that instead of an NPN transistor, a PNP transistor is used as the control transistor T2 and, instead of the NMOS power transistor, a PMOS transistor. Power transistor T1 can be used.
- This principle difference requires a reversal of the circuit structure, that is, the order of the circuit elements.
- each branch 20 of the working resistance R2 is at the main supply potential V1, followed by the self-blocking power transistor T1 with source s and then at the drain d the consumer network 40, which finally falls to the current sink potential V4.
- the working potential V3 is tapped at the drain d of the power transistor T1 and is located at the collector c of the control transistor (PNP transistor) T2, whose emitter e falls via the control resistor R3 to the common control main potential V6.
- the scaling resistor R3 carries the common control main potential V6 to the current sink potential V4.
- the control diode D2 leads from the common reference working potential V7 to the emitter side e of the respective control transistor T2, and the gate g of the power transistor T1 is also on the emitter side e of the control transistor T2 of the other current branch 20.
- the zener diode has from the main supply potential V1 to the control main potential V6.
- the working potential V3 of each current branch 20 is tapped here by means of a collector circuit with the two control transistors (pnp transistors) T2.
- the two control transistors are supplied with the same base potential V7.
- the current control circuit 30 operates in principle as well as in the first embodiment, only in the reverse arrangement direction. A detailed description of the functional Theory is therefore omitted to avoid repetition, instead, reference is made to the description of the first embodiment, which is analogous to apply.
- the working voltage U2 here results as the difference between the main supply potential V1 and the working potential V3, which is obtained here as the source potential of the power transistor T1.
- the circuit arrangements 100, 200, 300 are basically provided for the DC operation. Simulations have shown that they can also be operated pulsed. The circuits show good dynamic behavior.
- the load resistors R2 can also be embodied by potentiometers, so that the current flow in individual current branches 20 can be set individually by hand.
- the circuit concept described above was first simulated in a circuit simulation software (LTSpice), then implemented and tested. The simulations cover unequal current conditions, as well as extension to several branches. The implementation was carried out for equal current ratios and two branches. The circuit was tested both in simulation and in practice by bridging a single LED D1 times in one, sometimes in the other current branch 20. The resulting asymmetry of the total flux voltages of the LED strings would lead to very different currents in the two current branches 20 without the current control circuit 30 according to the invention.
- Table 1 below shows, by means of a measurement protocol, the effect of the current control circuit 30 according to the invention according to the first embodiment, which is shown in FIG. 1 and explained above.
- the circuit furthermore has the advantage that it can also be adapted over a wide range of unequal current division ratios, and can be extended to a plurality (ie two or more) LED chain branches.
- the exemplary embodiments explained above have a current source P1, which generates current pulses with a different duration (1 ⁇ -1 s) and with different current strength (0.1 nA-2A).
- the invention can also be operated with a current or voltage source with a constant output voltage or with a constant current signal.
- the current control circuit according to the invention thus shows a very fast response.
- the power transistors T1 are designed as self-locking field-effect transistors.
- Self-conducting transistors can also be used in the context of the invention, wherein the potential V4 applied to the gate electrode should then be correspondingly inverted.
- normally-isolated field-effect transistors it may be expedient first to apply a blocking potential to these when the entire current control circuit is switched on, before the regulation by the current control circuit becomes effective.
- the present invention has been described in terms of several embodiments which describe the distribution of a supply current to two or more parallel current branches 20 with respective consumer networks 40, each of the consumer networks 40 being constructed, for example, as an LED array having a plurality of light emitting diodes D1 connected in series ,
- the current control circuit 30 described is also applicable to other types of consumer networks 40 connected in parallel, in which the most exact possible compliance with a specific current division ratio is desired or required.
- Non-linear consumers can be used and yet a predetermined distribution is achieved.
- each of the parallel circuits is understood as a consumer network.
- control is used throughout. In the context of this application, this term does not differentiate between a simple feed-forward control and a control with feedback of the control variable.
- circuit elements such as resistors as ballast resistor, load resistor, scaling resistor, control resistor, compensation resistor, diodes as control diodes, capacitors as balancing capacitors, transistors as control or power transistors only the functional assignment within the Circuit arrangements are used and no limitation in the design, typing and dimensioning of these circuit elements must mean, unless this is explicitly mentioned in the context.
- T2 control transistor bipolar transistor, npn or pnp
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Abstract
The invention relates to a current control circuit (30) for distributing a current from a common current source (P1) to a multiplicity of parallel consumer networks (40) at a predefined current distribution ratio, and to a circuit arrangement (100) having the current control circuit (30) and the consumer networks (40). The current control circuit (30) has, for each of the consumer networks (40), a self-blocking power transistor (T1) in series with the consumer network (40); a working resistor (R2) in series with a power transistor (T1), on the side of the latter that faces away from the consumer network (40), wherein a working potential (V3) is defined between the working resistor (R2) and the power transistor (T1); a control resistor (R2), one side of which is connected to a control reference potential (V6) that is uniform for the entire current control circuit (30); a control transistor (T2), which is connected in a current path formed between the working potential (V3) and the other side of the control resistor (R2), facing away from the control reference potential (V6). The control electrode of the control transistor (T2) is connected to the control electrodes of the control transistors (T2) of all other consumer networks (40), in order to form a base potential (V7) that is common to all control transistors (T2). A current path which leads via a compensating resistor (R5) to a reference working potential (VA) that is different from the base potential (V7) branches off from the common base potential (V7). A control electrode of the power transistor (T1) is connected to the current path between the control transistor (T2) and the control resistor (R2) which are provided for exactly one other of the consumer networks (40). For each of the consumer networks, a control diode (D2) is provided between the reference work potential (V8) and the current path formed between the control transistor (T2) and the control resistor (R2). Furthermore, the current control circuit (30) has a Zener diode (D3), which is connected between the control reference potential (V6) and a potential defined by the interconnected sides of the working resistors (R2) that face away from the respective power transistor (T1).
Description
Stromsteuerschaltunq und Schaltunqsanordnunq damit Stromsteuerschaltunq and Schaltunqsanordnunq with it
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromsteuerschaltung und eine Schaltungsanordnung mit der Stromsteuerschaltung und einer Vielzahl von parallelen Verbrauchernetzen, die jeweils eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Leuchtdioden aufweisen. Die Stromsteuerschaltung dient der Verteilung eines Stroms aus einer gemeinsamen Stromquelle auf die Vielzahl der Verbrauchernetze mit einem vorgegebenen Stromteilungsverhältnis. The present invention relates to a current control circuit and a circuit arrangement comprising the current control circuit and a plurality of parallel consumer networks, each having a plurality of series-connected LEDs. The power control circuit is for distributing a current from a common power source to the plurality of power grids at a predetermined current dividing ratio.
In optischen Inspektionsvorrichtungen, insbesondere in optischen Spektrometern, werden Schaltungen verwendet, bei welchen mehrere Lichtquellen, die jeweils mehrere Dioden umfassen, Licht mit möglichst vordefinierter, insbesondere gleicher Leuchtstärke abgeben. Mit einer externen Konstantstromquelle wird eine vorbestimmte Stromstärke zugeführt. Damit durch alle Dioden der gleiche Strom fließt, ist es grundsätzlich wünschenswert, alle Dioden in einem einzigen Stromzweig anzuordnen. Dies ist aber nicht immer möglich, denn da sich die über die einzelnen Dioden abfallende Spannung (ca. 3 bis 4V) jeweils addieren würde, steigt die erforderliche Ge- samtversorgungsspannung erheblich an. Aus Zulassungsgründen möchte man jedoch keine Spannungen über 48V verwenden. Deshalb kann es erforderlich sein, die Dioden auf mehrere, parallel geschaltete Stromzweige zu verteilen. Dabei ist die Genauigkeit der Aufteilung des Ge- samtversorgungsstroms auf die Stromzweige über einen weiten Strombereich (etwa zum Dim- men der Helligkeit) wichtig. In optical inspection devices, in particular in optical spectrometers, circuits are used in which a plurality of light sources, each comprising a plurality of diodes, emit light with a predefined, in particular the same luminosity. With an external constant current source, a predetermined current is supplied. In order for the same current to flow through all the diodes, it is basically desirable to arrange all the diodes in a single current branch. However, this is not always possible, since the voltage across the individual diodes (approximately 3 to 4V) would add in each case, the required total supply voltage increases considerably. For approval reasons, however, you do not want to use voltages above 48V. Therefore, it may be necessary to distribute the diodes to several, parallel-connected current branches. The accuracy of the distribution of the total supply current to the current branches over a wide current range (for example for dimming the brightness) is important here.
Den Strom durch Dioden zu regeln ist nicht einfach, da das Verhalten der Dioden extrem nichtlinear ist. Je heißer eine Diode wird, desto besser leitet sie. Dadurch zieht sie mehr Strom, wodurch sie noch heißer werden würde. Eine aktive Regelung des Stromes ist deshalb notwendig. Controlling the current through diodes is not easy, as the behavior of the diodes is extremely non-linear. The hotter a diode gets, the better it conducts. As a result, it draws more electricity, which would make them even hotter. An active control of the current is therefore necessary.
Für die beschriebene Anwendung ist es bekannt, einen Stromspiegel zu verwenden, bei dem ein LED-Ketten-Zweig den Strom des anderen Zweiges spiegelt. Dabei muss aber nach der Leiterkartenproduktion entschieden werden, welcher Zweig die Referenz ist, um den anderen dann gespiegelt zu betreiben. Die Entscheidung, sowie Dimensionierung der Spiegelung wird manuell mit Hilfe von Drahtbrücken nach der Produktion eingestellt.
Im Stand der Technik sind einige derartige Schaltungsvorschläge von Stromspiegeln bekannt, die aber allesamt keine automatische Stromteilung, mit dem die manuelle Kalibrierung nach der Produktion entfällt, ermöglichen. Es gibt zwar Schaltungsvorschläge für Stromteiler, aber es wurden keine identifiziert, die für Anwendungen der oben genannten Anforderungen mit großen Strömen verwendbar ist. For the described application, it is known to use a current mirror in which one LED chain branch mirrors the current of the other branch. However, it must be decided after the printed circuit board production, which branch is the reference to operate the other then mirrored. The decision as well as dimensioning of the mirroring is set manually with the help of wire bridges after production. Some such circuit proposals of current mirrors are known in the art, but all of which do not allow automatic current sharing which eliminates manual calibration after production. While there are circuit proposal for current dividers, none have been identified that are useful for applications of the above-mentioned high current requirements.
Weitere Schaltungen zum Ansteuern von Leuchtdioden gehen aus der US 2007/008091 1 A1 , der US 2014/0062314 A1 , der WO 201 1/150772 A1 , der WO 2014/0539933 A1 ,JP 2013-157493 A hervor. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromsteuerschaltung zur Verteilung eines Stroms aus einer gemeinsamen Stromquelle in eine Vielzahl von parallelen Stromzweigen mit einem vorgegebenen Stromteilungsverhältnis jeweiliger Versorgungsströme in den Stromzweigen, um ein jeweiliges Verbrauchernetz in jedem Stromzweig durch den jeweiligen Versorgungsstrom zu versorgen, bereitzustellen, welche wenigstens eine der nachstehenden Anforde- rungen erfüllt: Further circuits for driving light-emitting diodes are disclosed in US 2007/008091 1 A1, US 2014/0062314 A1, WO 201 1/150772 A1, WO 2014/0539933 A1, JP 2013-157493 A. It is therefore an object of the present invention to provide a current control circuit for distributing a current from a common current source into a plurality of parallel current branches having a predetermined current dividing ratio of respective supply currents in the current branches to supply a respective consumer network in each branch current through the respective supply current which fulfills at least one of the following requirements:
- eine automatische Stromteilung; - an automatic power split;
- eine Verbesserung der Genauigkeit; - an improvement in accuracy;
- Robustheit (beispielsweise gegenüber Stromstärke und Schaltungselement-Toleranzen); Robustness (for example, to current and circuit element tolerances);
- gutes dynamisches Verhalten (insbesondere beim Ein- und Ausschalten, sowie im Pulsbe- trieb); - good dynamic behavior (especially when switching on and off, as well as in pulse mode);
- Einfachheit im Aufbau; - simplicity in construction;
- Wiederverwertbarkeit des gleichen LED-Ketten-Aufbaus wie in den bisherigen Beleuchtungen, sowie der gleichen Leistungstransistoren; - Reusability of the same LED chain structure as in the previous lighting, as well as the same power transistors;
- hohe Effizienz (insbesondere kleine Verlustleistung der Regelschaltung) high efficiency (in particular small power loss of the control circuit)
- Anpassbarkeit an ungleiche Stromteilungsverhältnisse über einen weiten Bereich; sowie Adaptability to unequal flow sharing ratios over a wide range; such as
- Erweiterbarkeit auf mehrere (mehr als zwei) LED-Ketten-Zweige. - Expandability to multiple (more than two) LED chain branches.
Die Aufgabe wird wenigstens in Teilaspekten durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausführungsformen bilden den Gegenstand der Unteransprüche. The object is achieved at least in part by the features of the independent claims. Advantageous developments and embodiments form the subject of the dependent claims.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Stromsteuerschaltung zur Verteilung eines Stroms aus einer gemeinsamen Stromquelle auf eine Vielzahl von parallelen Verbrauchernetzen mit einem vorgegebenen Stromteilungsverhältnis bereitgestellt. Jedes der Verbrauchernetze weist insbesondere eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Leuchtdioden auf. Die Stromsteuerschaltung weist für jedes der Verbrauchernetze jeweils einen selbstsperrenden
Leistungstransistor, insbesondere Feldeffekttransistor, vorzugsweise MOSFET, in Reihe mit dem Verbrauchernetz; einen Arbeitswiderstand in Reihe mit dem Leistungstransistor auf dessen von dem Verbrauchernetz abgewandten Seite, wobei zwischen dem Arbeitswiderstand und dem Leistungstransistor ein Arbeitspotential definiert ist; einen Steuerwiderstand, dessen eine Seite mit einem für die gesamte Stromsteuerschaltung einheitlichen Steuerreferenzpotential verbunden ist, einen Steuertransistor, insbesondere Bipolartransistor, der in einem zwischen dem Arbeitspotential und der anderen, von dem Steuerreferenzpotential abgewandten Seite des Steuerwiderstands ausgebildeten Stromweg angeschlossen ist, auf. Dabei ist die Steuerelektrode des Steuertransistors mit den Steuerelektroden der Steuertransistoren aller anderen Verbrauchernetze verbunden, um ein allen Steuertransistoren gemeinsames Basispotential auszubilden. Eine Steuerelektrode des Leistungstransistors ist mit dem Stromweg zwischen dem Steuertransistor und dem Steuerwiderstand, die für genau einen anderen der Verbrauchernetze vorgesehen sind, verbunden. According to one aspect of the present invention, there is provided a current control circuit for distributing a current from a common power source to a plurality of parallel load networks having a predetermined current dividing ratio. Each of the consumer networks has in particular a plurality of series-connected LEDs. The power control circuit has a self-locking one for each of the power networks Power transistor, in particular field effect transistor, preferably MOSFET, in series with the consumer network; a load resistor in series with the power transistor on its side remote from the load side, wherein a working potential is defined between the load resistor and the power transistor; a control resistor whose one side is connected to a common control reference potential for the entire current control circuit, a control transistor, in particular bipolar transistor, which is connected in a formed between the working potential and the other, remote from the control reference potential side of the control resistor current path on. In this case, the control electrode of the control transistor is connected to the control electrodes of the control transistors of all other consumer networks to form a base common to all control transistors. A control electrode of the power transistor is connected to the current path between the control transistor and the control resistor, which are provided for exactly another of the consumer networks.
Bei dieser Stromsteuerschaltung wird der Strom durch die einzelnen Verbrauchernetze mittels der Arbeitswiderstände erfasst und mittels der Steuertransistoren mit dem Leistungstransistor eines anderen Verbrauchernetzes gekoppelt. Durch diese Kreuz- oder Gegenkopplung wird selbständig das Verhältnis der Ströme durch die einzelnen Verbrauchernetze geregelt. In this current control circuit, the current is detected by the individual power networks by means of the load resistors and coupled by means of the control transistors to the power transistor of another consumer network. This cross-coupling or negative feedback independently regulates the ratio of the currents through the individual consumer networks.
Die Kopplung des gemeinsamen Basispotentials mit den Stromwegen zwischen dem Steuertransistor und dem Steuerwiderstand kann mittels Steuerdioden ausgebildet sein, wobei jeweils eine Steuerdiode zwischen jedem Stromweg zwischen dem Steuertransistor und dem Steuerwiderstand und dem Basispotential angeordnet ist. In diesem Stromweg liegt ein Gate-Potential zum Ansteuern des jeweiligen Leistungstransistors des anderen Verbrauchernetzes an. Durch die Kopplung des Basispotentials mittels der Steuerdioden ist das Basispotential an das jeweils größte Gate-Potential aller Verbrauchernetze gekoppelt. The coupling of the common base potential with the current paths between the control transistor and the control resistor may be formed by means of control diodes, wherein a respective control diode between each current path between the control transistor and the control resistor and the base potential is arranged. In this current path, there is a gate potential for driving the respective power transistor of the other consumer network. By coupling the base potential by means of the control diodes, the base potential is coupled to the respective largest gate potential of all consumer networks.
Vorzugsweise sind die Steuerelektroden aller Stromzweige miteinander verbunden und bilden ein Referenzarbeitspotential, das mittels eines Ausgleichswiderstands mit dem Basispotential verbunden ist. Ferner kann die Stromsteuerschaltung eine Zenerdiode aufweisen, die zwischen dem Steuerreferenzpotential und einem durch die miteinander verbundenen, von dem jeweiligen Leistungstransistor abgewandten Seiten der Arbeitswiderstände definierten Potential angeschlossen ist. Preferably, the control electrodes of all current branches are connected to each other and form a reference working potential, which is connected by means of a compensation resistor to the base potential. Furthermore, the current control circuit may have a Zener diode which is connected between the control reference potential and a potential defined by the interconnected sides of the load resistors facing away from the respective power transistor.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl eine Anzahl von zwei oder mehr. Die Viel- zahl von Verbrauchernetzen ist vorzugsweise zwei, drei oder vier. Ein Verbrauchernetz ist im Sinne der Erfindung eine beliebige Schaltung, die der Versorgung mit einem Strom bedarf und
einen Spannungsabfall bewirkt. Vorzugsweise weist das Verbrauchernetz eine Reihenschaltung einer Vielzahl von Leuchtdioden, also eine sogenannte LED-Kette, auf. Die Anwendung der Erfindung ist aber auf die Versorgung von LED-Ketten nicht beschränkt. Ein Leiterabschnitt kann dabei auf jede beliebige Art ausgebildet sein, etwa als Leiterbahn, Anschlussfleck oder Potentialsee auf einer gedruckten Platine, ein Kabel, eine Stromschiene, Litze, oder dergleichen. Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung im körperlichen Sinne von einem bestimmten, konkret benannten Potential gesprochen wird, ist darunter ein Leiterabschnitt zu verstehen, der das so benannte Potential aufweist. Das heißt, wenn ein Schaltungselement mit einem Potential verbunden ist, ist das im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass das Schaltungselement mit dem das Potential aufweisenden Leiterabschnitt verbunden ist. Wenn zwei Schaltungselemente als parallel beschrieben sind, ist das im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die Schaltungselemente zwischen einem ersten Leiterabschnitt (einem ersten Potential) und einem zweiten Leiterabschnitt (einem zweiten Potential) parallel geschaltet sind. Ein Stromsenkenpotential ist im Sinne der Erfindung ein Potential, das niedriger ist als ein Eingangspotential einer Schaltung. Konkret kann das Stromsenkenpotential ein Sammel-Senkenpotential einer Schaltungsanordnung mit den Ver- brauchernetzen und der Stromsteuerschaltung sein. Insbesondere, aber nicht zwingend, ist das Stromsenkenpotential identisch mit dem Nullpotential (der "Masse") der Stromquelle. Das Stromsenkenpotential kann aber auch durch einen Ohm'schen Widerstand von dem Nullpotential entkoppelt sein. Ein Steuerreferenzpotential ist im Sinne der Erfindung ein für die gesamte Stromsteuerschaltung, also bezüglich aller Zweige der Stromsteuerschaltung, gleiches äußeres Potential, das von den Verbrauchernetzen durch einen Ohm'schen Widerstand (Skalierwiderstand) entkoppelt ist. Wenn ein Schaltungselement als in einem Stromweg angeschlossen bzw. in Reihe geschaltet ist, bezieht sich dies beim Transistor auf den Anschluss der Hauptelektroden (Source/Drain für einen Feldeffekttransistor und Kollektor/Emitter für einen Bipolartransistor) in dem Stromweg, bei zweipoligen Schaltungselementen auf die beiden Pole. Sofern nichts anderes gesagt ist, können gleich benannte Schaltungselemente in allen Zweigen der Stromsteuerschaltung als gleich dimensioniert verstanden werden. For the purposes of the present invention, a plurality is a number of two or more. The plurality of consumer networks is preferably two, three or four. A consumer network is within the meaning of the invention, any circuit that requires the supply of electricity and causes a voltage drop. Preferably, the consumer network has a series connection of a plurality of light-emitting diodes, that is to say a so-called LED chain. However, the application of the invention is not limited to the supply of LED chains. In this case, a conductor section can be designed in any desired manner, for example as a conductor track, connection pad or potential lake on a printed circuit board, a cable, a busbar, a stranded wire or the like. If in the context of the invention in the physical sense of a specific, specifically designated potential is spoken, including a conductor section to understand that has the so-called potential. That is, when a circuit element is connected to a potential, this is to be understood in the sense of the invention as meaning that the circuit element is connected to the potential-carrying conductor section. If two circuit elements are described as being parallel, this is to be understood in the sense of the invention as meaning that the circuit elements are connected in parallel between a first conductor section (a first potential) and a second conductor section (a second potential). A current sink potential in the context of the invention is a potential that is lower than an input potential of a circuit. In concrete terms, the current sink potential may be a collective sink potential of a circuit arrangement with the consumer networks and the current control circuit. In particular, but not necessarily, the current sink potential is identical to the zero potential (the "ground") of the current source. The current sink potential can also be decoupled from the zero potential by an ohmic resistor. In the context of the invention, a control reference potential is a same external potential for the entire current control circuit, that is to say with respect to all branches of the current control circuit, which is decoupled from the consumer networks by an ohmic resistor (scaling resistor). When a circuit element is connected in series in a current path, in the case of the transistor this refers to the connection of the main electrodes (source / drain for a field effect transistor and collector / emitter for a bipolar transistor) in the current path, in the case of bipolar circuit elements to the two poles. Unless otherwise stated, identically named circuit elements in all branches of the current control circuit can be understood to be dimensioned the same.
Durch die oben beschriebene Stromsteuerschaltung wird der Strom automatisch auf die Vielzahl von parallelen Verbrauchernetzen so verteilt, dass ein vorgegebenes Stromteilungsverhältnis mit hoher Genauigkeit und Stabilität eingehalten werden kann. Die Stromsteuerschaltung ist einfach aufgebaut und kann auf zwei oder mehr Verbrauchernetze angewendet werden. Sie ist robust gegenüber Stromstärke und Schaltungselement-Toleranzen und weist ein gutes dynamisches Verhalten und eine geringe Verlustleistung auf. Bei gleichen Arbeitswiderständen kann ein gleichmäßiges Stromteilungsverhältnis zwischen allen Verbrauchernetzen (50:50 bei zwei Ver- brauchernetzen) verwirklicht werden. Die Schaltung ermöglicht eine Wiederverwendung der Leis-
tungstransistoren von herkömmlichen Stromsteuerschaltungen und erfordert keine weiteren Änderungen am Aufbau von vorhandenen, in den Verbrauchernetzen vorgesehenen LED-Ketten. By the current control circuit described above, the current is automatically distributed to the plurality of parallel load networks so that a predetermined current division ratio can be maintained with high accuracy and stability. The power control circuit has a simple structure and can be applied to two or more power networks. It is robust against current and circuit element tolerances and has good dynamic performance and low power dissipation. With the same working resistances, a uniform current sharing ratio between all consumer networks (50:50 for two consumer networks) can be achieved. The circuit allows the reuse of Thung transistors of conventional power control circuits and requires no further changes to the structure of existing, provided in the consumer networks LED chains.
Der Steuertransistor kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Bipolartransistor sein. Diese können als npn-Transistor oder als pnp-Transistor aufgebaut sein. Je nach Bauart des Steuer- transistors ist die Reihenfolge und Polarisierung der Schaltungselemente der Stromsteuerschaltung untereinander und bezüglich der Verbrauchernetze gegebenenfalls anzupassen. The control transistor according to the present invention may be a bipolar transistor. These can be constructed as an NPN transistor or as a PNP transistor. Depending on the design of the control transistor, the order and polarization of the circuit elements of the power control circuit with each other and with respect to the consumer networks may need to be adjusted.
Falls der Steuertransistor ein npn-Transistor ist, sind die Verbrauchernetze auf der Seite eines durch die Stromquelle gelieferten, gemeinsamen Hauptversorgungspotential vorgesehen und sind die Arbeitswiderstände mit einem gemeinsamen Stromsenkenpotential verbunden. Jeweils (d.h., in Bezug auf jedes einzelne der Verbrauchernetze) ist das Arbeitspotential ein Source- Potential des Leistungstransistors und mit einem Emitter des Steuertransistors verbunden, ist die Steuerelektrode des einem Verbrauchernetz zugeordneten Leistungstransistors mit dem Kollektor des einem anderen Verbrauchernetz zugeordneten Steuertransistors verbunden, ist der Steuer- widerstand mit dem Kollektor des Steuertransistors verbunden, das Steuerreferenzpotential über einen Skalierwiderstand mit dem Hauptversorgungspotential verbunden und ist die Steuerdiode so angeschlossen, dass ihre Durchflussrichtung auf das Referenzarbeitspotential hin weist. Ferner ist die Zenerdiode so angeschlossen, dass ihre Durchflussrichtung von dem Stromsenkenpotential zu dem Steuerreferenzpotential weist. If the control transistor is an npn transistor, the load networks are provided on the side of a common main supply potential supplied by the power source, and the load resistors are connected to a common current sink potential. In each case (ie, with respect to each one of the consumer networks), the working potential is a source potential of the power transistor and connected to an emitter of the control transistor, the control electrode of a power network associated with a power transistor is connected to the collector of another consumer network associated control transistor is Control resistor connected to the collector of the control transistor, the control reference potential connected via a scaling resistor to the main supply potential and the control diode is connected so that their flow direction points to the reference working potential. Furthermore, the zener diode is connected so that its direction of flow points from the current sink potential to the control reference potential.
Falls der Steuertransistor ein pnp-Transistor ist, sind die Arbeitswiderstände mit einem durch die Stromquelle gelieferten, gemeinsamen Hauptversorgungspotential verbunden und sind die Verbrauchernetze auf der Seite eines gemeinsamen Stromsenkenpotentials vorgesehen. Jeweils (d.h., in Bezug auf jedes einzelne der Verbrauchernetze) ist das Arbeitspotential ein Drain- Potential des Leistungstransistors und mit einem Kollektor des Steuertransistors verbunden, ist die Steuerelektrode des einem Verbrauchernetz zugeordneten Leistungstransistors mit dem Emitter des einem anderen Verbrauchernetz zugeordneten Steuertransistors verbunden, ist der Steuerwiderstand mit dem Emitter des Steuertransistors verbunden, ist das Steuerreferenzpotential über einen Skalierwiderstand mit dem Stromsenkenpotential verbunden, und ist die Steuerdiode so angeschlossen, dass ihre Durchflussrichtung von dem Referenzarbeitspotential weg weist. Ferner ist die Zenerdiode so angeschlossen, dass ihre Durchflussrichtung von dem Hauptversorgungspotential zu dem Steuerreferenzpotential weist.
In einer Weiterbildung ist dem Ausgleichswiderstand ein Ausgleichskondensator parallel geschaltet. Durch die Dimensionierung des Ausgleichskondensators kann das dynamische Verhalten der Stromsteuerungsschaltung optimiert werden. If the control transistor is a pnp transistor, the load resistors are connected to a common main supply potential supplied by the power source, and the load networks are provided on the side of a common sink current potential. In each case (ie, with respect to each one of the consumer networks), the working potential is a drain potential of the power transistor and connected to a collector of the control transistor, the control electrode of a power network associated with a power transistor is connected to the emitter of another consumer network associated control transistor is Control resistor connected to the emitter of the control transistor, the control reference potential is connected via a scaling resistor to the current sink potential, and the control diode is connected so that its flow direction points away from the reference working potential. Further, the Zener diode is connected so that its flow direction is from the main supply potential to the control reference potential. In a further development, a compensation capacitor is connected in parallel with the compensation resistor. The dimensioning of the compensation capacitor can be used to optimize the dynamic behavior of the current control circuit.
Vorzugsweise ist die Stromquelle eine Gleichstromquelle. Alternativ kann die Stromquelle eine gepulste Stromquelle sein. Preferably, the power source is a DC power source. Alternatively, the power source may be a pulsed power source.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Arbeitswiderstände Festwiderstände. Durch die Dimensionierung der Arbeitswiderstände kann das Stromteilungsverhältnis festgelegt werden. In einer alternativen Ausführungsform sind die Arbeitswiderstände verstellbare Widerstände (d.h., Potentiometer). Dadurch ist eine Justierung des Stromteilungsverhältnisses möglich. In a preferred embodiment, the load resistors are fixed resistors. By dimensioning the load resistors, the current sharing ratio can be set. In an alternative embodiment, the working resistors are adjustable resistors (i.e., potentiometers). As a result, an adjustment of the current division ratio is possible.
Die Arbeitswiderstände weisen also insbesondere ein Widerstandsverhältnis zueinander auf, das entsprechend dem vorgegebenen Stromteilungsverhältnis ausgewählt sein kann. The working resistors thus have in particular a resistance ratio to one another, which may be selected according to the predetermined current division ratio.
Das vorgegebene Stromteilungsverhältnis kann wahlweise ein gleichmäßiges oder ein ungleichmäßiges Stromteilungsverhältnis sein. The predetermined current dividing ratio may optionally be a uniform or an uneven current dividing ratio.
Vorzugsweise ist die Versorgungsspannung, die sich aus einer Differenz zwischen dem Haupt- Versorgungspotential und dem Stromsenkenpotential ergibt, kleiner als oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert. Der vorgegebene Grenzwert kann beispielsweise 48 V sein, was die Zulassung eines mit der Schaltung ausgestatteten Geräts erleichtert. Je nach den gesetzlichen oder freiwilligen industriellen Vorgaben kann der vorgegebene Grenzwert in anderen oder veränderten Legislaturen und/oder technischen Zusammenhängen auch abweichend gewählt werden. Preferably, the supply voltage, which results from a difference between the main supply potential and the current sink potential, is less than or equal to a predetermined limit value. The predetermined limit value may be, for example, 48 V, which facilitates the approval of a device equipped with the circuit. Depending on the legal or voluntary industrial specifications, the given limit may also be chosen differently in other or changed legislatures and / or technical contexts.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von parallelen Verbrauchernetzen, von denen jedes insbesondere eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Leuchtdioden aufweist, und einer Stromsteuerschaltung zur Verteilung eines Stroms aus einer gemeinsamen Stromquelle auf die Vielzahl der parallelen Ver- brauchernetze mit einem vorgegebenen Stromteilungsverhältnis bereitgestellt. Erfindungsgemäß ist die Stromsteuerschaltung gemäß der vorstehenden Beschreibung aufgebaut. According to another aspect of the present invention, there is also provided a circuit arrangement having a plurality of parallel load networks, each of which in particular has a plurality of light emitting diodes in series, and a current control circuit for distributing a current from a common power source to the plurality of parallel power supply networks provided with a predetermined current division ratio. According to the invention, the current control circuit is constructed as described above.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verbrauchernetze identisch, insbesondere mit einer identischen Anzahl von Leuchtdioden identischen Typs, aufgebaut.
Weitere Aufgaben, Merkmale, Eigenschafen und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den beigefügten Figuren veranschaulicht sind, deutlicher werden. In a preferred embodiment, the consumer networks are identical, constructed in particular with an identical number of LEDs of identical type. Other objects, features, features and advantages of the present invention will become more apparent from the description of preferred embodiments illustrated in the accompanying drawings.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer Stromsteuerschaltung gemäß einem ersten Aus- führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 shows a circuit arrangement with a current control circuit according to a first exemplary embodiment of the present invention.
Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer Stromsteuerschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer Stromsteuerschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 shows a circuit arrangement with a current control circuit according to a second embodiment of the present invention. Fig. 3 shows a circuit arrangement with a current control circuit according to a third embodiment of the present invention.
Die Figuren sind schematische Schaltbilder in üblicher symbolischer Darstellung der Schaltungselemente. In den Figuren können Bezugszeichen der Übersichtlichkeit halber ein alphabetisches Präfix je nach der Art des bezeichneten Schaltungselements oder der bezeichneten physikalischen Größe aufweisen. In den gezeigten Schaltungsanordnungen bezeichnet ein Präfix C einen Kondensator, bezeichnet ein Präfix D eine Diode, bezeichnet ein Präfix P eine Stromquelle, bezeichnet ein Präfix R einen Ohm'schen Widerstand, bezeichnet ein Präfix T einen Transistor, bezeichnet ein Präfix U eine elektrische Spannung und bezeichnet ein Präfix V ein elektrisches Po- tential. Die Zählung der Schaltungselemente bzw. physikalischen Größen mit einem bestimmten Präfix, also innerhalb einer bestimmten Gruppe von Schaltungselementen oder physikalischen Größen, ist funktionaler Natur und soll keinen Hinweis über die Anzahl der Schaltungselemente in der Schaltungsanordnung sein. Anders als bei einer üblichen Darstellung in Schaltplänen, in welchen jedes individuelle Schaltungselement einen eigenen Zähler aufweist, weisen in den hier vorliegenden Figuren alle Schaltungselemente gleicher oder vergleichbarer Funktion den gleichen Zähler auf. Es ist möglich, ggf. auch vorzuziehen, aber nicht in jedem Fall zwingend, dass Schaltungselemente mit gleichem Zähler gleiche Typisierung und/oder Dimensionierung aufweisen. Ebenso ist darauf hinzuweisen, dass physikalische Größen, die in den Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind, veränderlich sein können und an unterschiedlichen Stellen in der Schaltungsanordnung unterschiedliche Werte annehmen können, aber nicht stets müssen. The figures are schematic circuit diagrams in the usual symbolic representation of the circuit elements. In the figures, for the sake of clarity, reference numerals may have an alphabetic prefix depending on the type of the designated circuit element or the designated physical quantity. In the circuit arrangements shown, a prefix C denotes a capacitor, a prefix D denotes a diode, a prefix P denotes a current source, a prefix R denotes an ohmic resistor, a prefix T denotes a transistor, a prefix U denotes an electrical voltage and a prefix V denotes an electrical potential. The counting of the circuit elements or physical quantities with a specific prefix, that is to say within a specific group of circuit elements or physical quantities, is functional in nature and should not be an indication of the number of circuit elements in the circuit arrangement. Unlike a conventional representation in circuit diagrams, in which each individual circuit element has its own counter, in the present figures, all circuit elements have the same or similar function on the same counter. It is possible, if appropriate, to prefer, but not in any case necessarily, that circuit elements with the same counter have the same typing and / or dimensioning. It should also be noted that physical quantities, which are given the same reference number in the figures, may be variable and may, but do not always have to, assume different values at different points in the circuit arrangement.
Zur Vereinfachung der Beschreibung und des Verständnisses wird hier davon ausgegangen, dass alle Leiterabschnitte der dargestellten Schaltungsanordnungen vergleichsweise kurz und wenigstens im Wesentlichen potentialverlustfrei sind. Somit kann ein Leiterabschnitt, der sich zwischen zwei oder mehreren Schaltungselementen erstreckt, durch sein als konstant angenommenes Potential angesprochen werden. Wenn also im Folgenden beispielsweise beschrie-
ben wird, dass ein Schaltungselement mit einem bestimmten Potential verbunden ist, so ist dies so zu lesen, dass das Schaltungselement mit demjenigen Leiterabschnitt verbunden ist, der durch das bestimmte Potential angesprochen wird. To simplify the description and the understanding, it is assumed here that all conductor sections of the illustrated circuit arrangements are comparatively short and at least essentially free of potential losses. Thus, a conductor portion extending between two or more circuit elements can be addressed by being assumed to be constant potential. So if, for example, described below, If a switching element is connected to a certain potential, this can be read so that the circuit element is connected to that conductor section which is addressed by the specific potential.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 100 mit einer Stromsteuerschaltung 30 gemäß einem ers- ten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 shows a circuit arrangement 100 with a current control circuit 30 according to a first exemplary embodiment of the present invention.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind in der Schaltungsanordnung 100 eine Versorgungsschaltung 10 (in der Figur strichpunktiert umzeichnet), zwei parallele Stromzweige 20, welche durch die Versorgungsschaltung 10 mit Strom versorgt werden, und eine Stromsteuerschaltung 30 (in der Figur strichpunktiert umzeichnet) vorgesehen. As shown in FIG. 1, in the circuit arrangement 100, a supply circuit 10 (dash-dotted line in the figure), two parallel current branches 20 which are supplied with power by the supply circuit 10, and a current control circuit 30 (indicated by dot-dashed lines in the figure) are provided ,
Die Versorgungsschaltung 10 weist eine Stromquelle P1 auf, deren Minuspol mit einem Nullpotential V0 verbunden ist und deren Ausgangspotential über einen Vorschaltwiderstand R1 auf ein Hauptversorgungspotential V1 geführt wird, das allen Stromzweigen 20 und der Stromsteuer- Schaltung 30 gemeinsam ist. The supply circuit 10 has a current source P1 whose negative pole is connected to a zero potential V0 and whose output potential is fed via a series resistor R1 to a main supply potential V1, which is common to all current branches 20 and the current control circuit 30.
Jeder Stromzweig 20 zweigt von dem Hauptversorgungspotential V1 ab und weist jeweils ein Verbrauchernetz 40 (in der Figur strichpunktiert umzeichnet) auf. Jedes Verbrauchernetz 40 weist eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Leuchtdioden D1 auf. Es ist anzumerken, dass die Ver- brauchernetze 40 auf einer gleichen Platine wie die übrigen Teile der Schaltungsanordnung angeordnet sein können oder alternativ extern vorgesehen und mittels Anschlussklemmen 60 oder dergleichen in die Schaltungsanordnung 100 eingebunden sein können. An jeder der Leuchtdioden D1 der Verbrauchernetze 40 findet ein Spannungsabfall U1 statt, sodass an einem Ausgang der Verbrauchernetze 40 jeweils ein Verbraucherpotential V2 vorherrscht. Each branch 20 branches off from the main supply potential V1 and in each case has a consumer network 40 (dash-dotted line in the figure). Each consumer network 40 has a plurality of light-emitting diodes D1 connected in series. It should be noted that the power supply networks 40 may be arranged on a same board as the remaining parts of the circuit arrangement or may alternatively be provided externally and integrated into the circuit arrangement 100 by means of connection terminals 60 or the like. At each of the light-emitting diodes D1 of the consumer networks 40, a voltage drop U1 takes place, so that in each case a consumer potential V2 prevails at an output of the consumer networks 40.
Da die individuellen Spannungsabfälle U1 aufgrund der eingangs beschriebenen Nichtlinearität der LEDs D1 unterschiedlich sein können, wird sich in jedem Stromzweig 20 erfahrungsgemäß ein anderes Verbraucherpotential V2 einstellen, weshalb ohne eine aktive Stromsteuerung die Ströme I in den Verbrauchernetzen 40 unterschiedlich sein können. Die Stromsteuerschaltung 30 dient der Steuerung der in die Stromzweige 20 jeweils von dem Hauptversorgungspotential V1 aus geteilten Versorgungsströme I mit einem vorgegebenen, hier gleichmäßigen, Stromteilungsverhältnis. Die Stromsteuerschaltung 30 weist zwei Steuerzweige 50 auf, die jeweils einem der Stromzweige 20 zugeordnet sind und sowohl Schaltungselemente in dem jeweils zugeordneten Stromzweig 20 als auch Schaltungselemente außerhalb des jeweils zugeordneten Stromzweigs 20 aufweist.
So bilden ein Leistungstransistor T1 und ein Arbeitswiderstand R2, welche stromabwärts des Verbrauchernetzes 40 in Reihe in der angegebenen Reihenfolge in dem jeweiligen Stromzweig 20 eingebunden sind, wesentliche Bestandteile der Stromsteuerschaltung 30. Der Leistungstransistor T1 ist ein selbstsperrender Feldeffekttransistor, genauer gesagt ein selbstsperrender MOS- FET, wobei der Schutzumfang der Erfindung aber nicht auf diesen speziellen Fall beschränkt ist. Der Leistungstransistor (MOSFET) T1 weist somit eine Source s und einen Drain d als Hauptelektroden und ein Gate g als Steuerelektrode auf. Dabei ist jeweils der Drain d des jeweiligen Leistungstransistors T1 mit dem stromabwärtigen Ende des jeweiligen Verbrauchernetzes 40 verbunden und liegt somit an dem Verbraucherpotential V2. Die Source s des Leistungstransistors T1 ist mit einer Seite des jeweiligen Arbeitswiderstands R2 verbunden und definiert somit ein Arbeitspotential V3 für den Arbeitswiderstand R2. Das andere Ende des Arbeitswiderstands R2 liegt an einem für alle Stromzweige 20 gemeinsamen Senkenpotential V4. Das Stromsenkenpotential V4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem Nullpotential V0 der Stromquelle P1 identisch, kann aber prinzipiell ein beliebiges Potential sein, das eine geeignete Senke für den Versorgungsstrom (also bezüglich des Hauptversorgungspotentials V1 unter Berücksichtigung der auftretenden Verbraucher) ist. Ein über den Arbeitswiderstand R2 auftretender Spannungsabfall U2 ist, wie später genauer beschrieben werden wird, eine wesentliche Größe für die Steuerung der Teilströme in den Stromzweigen 20. Since the individual voltage drops U1 may be different due to the non-linearity of the LEDs D1 described above, experience shows that each consumer potential V2 will adjust in each current branch 20, which is why the currents I in the consumer networks 40 may be different without active current control. The current control circuit 30 serves to control the supply currents I divided into the current branches 20 from the main supply potential V1 with a predetermined, here uniform, current division ratio. The current control circuit 30 has two control branches 50, each of which is assigned to one of the current branches 20 and has both circuit elements in the respectively assigned current branch 20 and circuit elements outside the respective associated current branch 20. Thus, a power transistor T1 and a load resistance R2, which are connected downstream of the load network 40 in series in the order given in the respective branch 20, essential components of the current control circuit 30. The power transistor T1 is a self-locking field effect transistor, more specifically a self-locking MOS-FET but the scope of the invention is not limited to this particular case. The power transistor (MOSFET) T1 thus has a source s and a drain d as main electrodes and a gate g as a control electrode. In each case, the drain d of the respective power transistor T1 is connected to the downstream end of the respective consumer network 40 and is thus at the consumer potential V2. The source s of the power transistor T1 is connected to one side of the respective load resistor R2 and thus defines a working potential V3 for the load resistor R2. The other end of the load resistor R2 is connected to a common for all branches 20 sink potential V4. The current sink potential V4 in the present exemplary embodiment is identical to the zero potential V0 of the current source P1, but can in principle be any potential that is a suitable sink for the supply current (ie with respect to the main supply potential V1 taking into account the loads that occur). As will be described in more detail below, a voltage drop U2 occurring across the load resistor R2 is an essential variable for controlling the partial currents in the current branches 20.
Die Stromsteuerschaltung 30 zweigt ebenfalls von dem Hauptversorgungspotential V1 ab und weist eingangs einen Skalierwiderstand R3 auf, um das Hauptversorgungspotential V1 auf ein verhältnismäßig niedrigeres Steuerhauptpotential V6 zu skalieren, von welchem aus jeder Steuerzweig 50 versorgt wird. Das Steuerhauptpotential V6 liegt ferner über eine in Sperr-Richtung geschaltete Zenerdiode D3 an dem gemeinsamen Stromsenkenpotential V4. Dies bedeutet mit anderen Worten auch, dass die senkenseitigen Seiten der Arbeitswiderstände R2 der Stromzwei- ge 20 über die Zenerdiode D3 mit dem gemeinsamen Steuerhauptpotential V6 der Steuerzweige 50 verbunden sind. Jeder Steuerzweig 50 ist über einen Steuerwiderstand R4 an das Steuerhauptpotential V6 angebunden. Stromabwärts des Steuerwiderstands R4 ist ein Steuertransistor T2 vorgesehen. Der Steuertransistor T2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Bipolartransistor (BPT), genauer gesagt ein npn-Transistor. Mit anderen Worten, der Steuertransistor T2 weist einen Kollektor c und einen Emitter e als Hauptelektroden und eine Basis b als Steuerelektrode auf. Der Kollektor c des Steuertransistors T2 ist mit dem Steuerwiderstand R4 verbunden, und der Emitter des Steuertransistors T2 ist mit dem Arbeitspotential V3 des jeweiligen Stromzweigs 20 verbunden. Über den Emitter e des Steuertransistors T2 wird die Arbeitsspannung U2 als Spannungsabfall über dem Arbeitswiderstand R2 abgegriffen, da dieser Spannungsabfall der Differenz zwischen dem Arbeitspotential V3 und dem gemeinsamen Stromsenkenpotential V4 entspricht. Dies ist für die Stromsteuerung bedeutsam, da der Spannungsabfall über dem Ar-
beitswiderstand R2, mithin die Arbeitsspannung U2 und somit das Arbeitspotential V3, proportional zu dem in dem jeweiligen Stromzweig 20 fließenden Strom I ist. The current control circuit 30 also branches from the main supply potential V1 and initially has a scaling resistor R3 to scale the main supply potential V1 to a relatively lower main control potential V6, from which each control branch 50 is supplied. The control main potential V6 is also connected via a Zener diode D3 connected in the blocking direction to the common current sink potential V4. In other words, this also means that the low-side sides of the load resistors R2 of the current branch 20 are connected via the Zener diode D3 to the common control main potential V6 of the control branches 50. Each control branch 50 is connected via a control resistor R4 to the control main potential V6. Downstream of the control resistor R4, a control transistor T2 is provided. The control transistor T2 is in the present embodiment, a bipolar transistor (BPT), more specifically, an npn transistor. In other words, the control transistor T2 has a collector c and an emitter e as main electrodes and a base b as a control electrode. The collector c of the control transistor T2 is connected to the control resistor R4, and the emitter of the control transistor T2 is connected to the working potential V3 of the respective current branch 20. Via the emitter e of the control transistor T2, the working voltage U2 is tapped as a voltage drop across the load resistor R2, since this voltage drop corresponds to the difference between the working potential V3 and the common current sink potential V4. This is important for the current control since the voltage drop across the armature Beitswiderstand R2, thus the working voltage U2 and thus the working potential V3, proportional to the current flowing in the respective branch 20 current I is.
Die Basen b der Steuertransistoren T2 der beiden Steuerzweige 50 sind miteinander verbunden und weisen somit ein gemeinsames Basispotential V7 auf, über welches sie mit Strom versorgt werden. Zu diesem Zweck sind die Kollektorseiten c aller Steuerzweige 50 über eine jeweilige Steuerdiode D2 mit einem gemeinsamen Steuerhauptpotential V8 verbunden, das wiederum über eine Parallelschaltung eines Ausgleichskondensators C1 und eines Ausgleichswiderstands R5 auf das gemeinsame Basispotential V7 geführt ist. Die Stromsteuerschaltung 30 wird dadurch vervollständigt, dass die Kollektorseite c des Steuertransistors T2 des einem Stromzweig 20 zugeordneten Steuerzweigs 50 mit dem Gate g des Leistungstransistors T1 des jeweils anderen Stromzweiges 20 verbunden ist. The bases b of the control transistors T2 of the two control branches 50 are connected together and thus have a common base potential V7, via which they are supplied with power. For this purpose, the collector sides c of all control branches 50 are connected via a respective control diode D2 to a common control main potential V8, which in turn is connected to the common base potential V7 via a parallel connection of a balancing capacitor C1 and a balancing resistor R5. The current control circuit 30 is completed by the collector side c of the control transistor T2 of the control branch 50 assigned to a current branch 20 being connected to the gate g of the power transistor T1 of the respective other current branch 20.
Als beispielhafte Zusammenstellung von Schaltungselementen können folgende Typisierungen und Dimensionierungen angegeben werden: As an exemplary compilation of circuit elements, the following types and dimensions can be specified:
3 pF, 3 pF,
LXK 2 - PW 14 (vorgegebener LED-Typ) LXK 2 - PW 14 (default LED type)
1 N914 (alternativ: 1 /2 BAW 56), 1 N914 (alternatively: 1/2 BAW 56),
Z-Diode 15 V / 0,5 W (DFLZ33), Zener diode 15 V / 0.5 W (DFLZ33),
PULSE (0 mA - 2000 mA für 1 με - 1 με bzw. 1 με - 20 με bzw. 140 με -1 s) PULSE (0 mA - 2000 mA for 1 με - 1 με or 1 με - 20 με or 140 με -1 s)
0,001 Ω 0.001 Ω
1 Ω, 1 Ω,
1 kQ, 1kQ,
10 kQ, 10 kQ,
50 kQ, 50 kQ,
PMV 31 XN PMV 31 XN
BC547B (alternativ: BCM e 847 DS) BC547B (alternatively: BCM e 847 DS)
Die Eigenschaften der angegebenen Typisierungen können den einschlägigen Datenblättern der Hersteller entnommen werden und werden daher an dieser Stelle nicht ausführlich erläutert. The characteristics of the typifications given can be found in the relevant data sheets of the manufacturers and are therefore not explained in detail here.
Die automatische Steuerung der Ströme I der Stromzweige 20 spielt sich mit der oben beschriebenen Schaltungsanordnung wie folgt ab.
Wie oben beschrieben, wird das Arbeitspotential V3 jedes Stromzweigs 20 mittels einer Emitter- Schaltung mit den zwei Steuertransistoren T2 abgegriffen. Die beiden Steuertransistoren werden mit dem gleichen Basispotential V7 versorgt. In Abhängigkeit von den Spannungsabfällen U2 über die Arbeitswiderstände R2, also letztlich in Abhängigkeit von den Arbeitspotentialen V3, verteilt sich ein Basisstrom über die Steuertransistoren T2. The automatic control of the currents I of the current branches 20 takes place with the circuit arrangement described above as follows. As described above, the working potential V3 of each current branch 20 is tapped by means of an emitter circuit with the two control transistors T2. The two control transistors are supplied with the same base potential V7. Depending on the voltage drops U2 on the load resistors R2, so ultimately in response to the work potentials V3, a base current distributed over the control transistors T2.
Da die Kollektorseiten der Steuertransistoren T2 mit dem Gate eines Leistungstransistors T1 des jeweils anderen Stromzweiges 20 verbunden sind, wird ein Anstieg des Arbeitspotentials V3 eines Stromzweigs 20 über den jeweiligen Steuertransistor T2 verstärkt, wodurch der Stromfluss im jeweils anderen Stromzweig 20 erhöht wird. Since the collector sides of the control transistors T2 are connected to the gate of a power transistor T1 of the other current branch 20, an increase of the working potential V3 of a branch 20 via the respective control transistor T2 is amplified, whereby the current flow in the other branch 20 is increased.
Mit dieser Kreuzkopplung wird der Strom I in einem der Stromzweige 20 als Arbeitspotential V3 abgegriffen, verstärkt und zur Steuerung des Stromflusses im anderen Stromzweig 20 verwendet. With this cross-coupling of the current I is tapped in one of the current branches 20 as working potential V3, amplified and used to control the flow of current in the other branch 20 current.
Das„Verstärken" erfolgt, indem bei einer Erhöhung des Arbeitspotentials V3 die Potentialdiffe- renz (V7 - V3) zwischen der Basis und dem Emitter am Steuertransistor T2 verringert wird, sodass sich der elektrische Widerstand des Transistors T2 zwischen der Kollektorseite c und der Emitterseite e erhöht, wodurch sich auch der Spannungsabfall zwischen der Kollektorseite c und der Emitterseite e erhöht. Dieser zusätzliche Spannungsabfall addiert sich zum erhöhten Arbeitspotential V3 und bildet das Gate-Potential V5, mit dem der Leistungstransistor T1 des jeweils anderen Stromzweiges 20 angesteuert wird. Somit führt eine Erhöhung des Stroms in einem Stromzweig 20 zu einer Erhöhung des Stroms im jeweils anderen Stromzweig 20. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel die beiden Widerstände R2 der beiden Stromzweige identisch sind, werden die beiden Ströme in den beiden Stromzweigen 20 auf den gleichen Wert geregelt. Das Verhältnis der Ströme wird im Verhältnis der beiden Widerstände R2 eigestellt. Durch Verändern der beiden Widerstände R2 kann das Verhältnis der Ströme in den beiden Stromzweigen entsprechend abgeändert werden. Grundsätzlich kann man auch einen oder beide Widerstände R2 durch ein Potentiometer ausbilden, sodass das Stromverhältnis frei einstellbar ist. The "amplification" takes place by reducing the potential difference (V7-V3) between the base and the emitter at the control transistor T2 when the working potential V3 is increased, so that the electrical resistance of the transistor T2 between the collector side c and the emitter side e This also increases the voltage drop between the collector side c and the emitter side E. This additional voltage drop adds to the increased working potential V3 and forms the gate potential V5, with which the power transistor T1 of the respective other current branch 20 is driven In the present exemplary embodiment, since the two resistors R2 of the two current branches are identical, the two currents in the two current branches 20 are regulated to the same value Currents becomes in proportion of the two contradictions R2 is set. By varying the two resistors R2, the ratio of the currents in the two current branches can be changed accordingly. Basically, you can also form one or both resistors R2 by a potentiometer, so that the current ratio is freely adjustable.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass, wenn das Gate-Potential V5 eines Leistungstransistors T1 sich über einen bestimmten Bereich erhöht hat, es schwierig ist, gegenzuregeln und wieder ins Gleichgewicht zu kommen. It should be noted that when the gate potential V5 of a power transistor T1 has increased over a certain range, it is difficult to counterbalance and rebalance.
Deshalb wird das Gate-Potential V5 der Leistungstransistoren T1 jeweils mittels der Steuerdioden D2 auf das Referenzarbeitspotential V8 gelegt, wobei das Referenzarbeitspotential V8 dem je- weils höheren der beiden verstärkten Arbeitspotentiale V3, die die Gate-Potentiale V5 der Leistungstransistors T1 bilden, entspricht. Über den Ausgleichswiderstand R5 wird ein Basisstrom für
die Steuertransistoren T2 aus dem Steuerhauptpotential V8 heraus erzeugt. Dies hat die Wirkung, dass, je größer das Steuerhauptpotential V8 ist, desto größer der Basisstrom an den Steuertransistoren T2 ist und desto stärker diese Transistoren T2 leiten. Hierdurch fällt mehr Spannung an den vorgeschalteten Steuerwiderständen R4 ab. Die Steuerwiderstände R4 werden vorzugsweise so eingestellt, dass die Gate-Spannung an den Leistungstransistoren T1 nicht über einen vorbestimmten Grenzwert hinausgehen kann, der im vorliegenden Fall bei etwa 1 V liegt. Therefore, the gate potential V5 of the power transistors T1 is respectively set to the reference working potential V8 by means of the control diodes D2, the reference working potential V8 corresponding to the respective higher of the two amplified working potentials V3 which form the gate potentials V5 of the power transistor T1. About the compensation resistor R5 is a base current for the control transistors T2 generated from the control main potential V8 out. This has the effect that the larger the main control potential V8, the larger the base current at the control transistors T2 and the more these transistors T2 conduct. As a result, more voltage drops at the upstream control resistors R4. The control resistors R4 are preferably set so that the gate voltage across the power transistors T1 can not exceed a predetermined threshold, which in the present case is about 1V.
In dem Steuerzweig 50 ist die Spannung durch die Zener-Diode D3 auf einen geeigneten Wert von etwa etwa 33V begrenzt. Hierdurch wird ein konstantes Verhalten der Schaltung unabhängig von der Potentialdifferenz V1 -V4 und damit unabhängig vom Gesamtstrom der StromquellePI sichergestellt. In the control branch 50, the voltage through the zener diode D3 is limited to an appropriate value of about about 33V. As a result, a constant behavior of the circuit is ensured independently of the potential difference V1 -V4 and thus independent of the total current of the current source PI.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist eines der Verbrauchernetze 40 (in der Figur 1 das rechte Verbrauchernetz 40) eine Leuchtdiode D1 mehr auf als das andere Verbrauchernetz 40. Die zusätzliche Leuchtdiode D1 ist durch eine weitere Anschlussklemme 60 von den übrigen Leuchtdioden D1 abgesetzt. Von den zwei Anschlussklemmen 60, welche die zusätzliche Leuchtdiode D1 einklammern, zweigt jeweils eine Stichleitung ab, die zu jeweils einer weiteren Anschlussklemme 60 führt, über welche die zusätzliche Leuchtdiode D1 gebrückt werden kann. Die zusätzliche Leuchtdiode D1 kann beispielsweise zur Kontrolle des Stromflusses oder, etwa durch Hinzuschalten oder Überbrücken der zusätzlichen Leuchtdiode D1 , zum Testen der Steuerschaltung ver- wendet werden. As shown in FIG. 1, one of the consumer networks 40 (in FIG. 1 the right-hand consumer network 40) has one light-emitting diode D1 more than the other consumer network 40. The additional light-emitting diode D1 is offset from the remaining light-emitting diodes D1 by a further connection terminal 60. Of the two terminals 60, which clip the additional light-emitting diode D1, each branches off a stub, which leads to a respective further terminal 60, via which the additional light-emitting diode D1 can be bridged. The additional light-emitting diode D1 can, for example, be used for checking the current flow or, for example, by adding or bridging the additional light-emitting diode D1, for testing the control circuit.
Das Schaltungskonzept trennt die Leistungssteuerung mit den Leistungstransistoren T1 von der Regelung der Stromstärke, die mit einem Steuertransistorpaar T2, T2 realisiert wird. Dadurch wird eine hohe Regelverstärkung realisiert, die eine sehr präzise Stromteilung/Spiegelung zur Folge hat. Das Steuertransistorpaar T2, T2 arbeitet mit gekoppelten Basen als Differenzverstärker. Die verstärkte Stromdifferenz, die als Spannung mittels der Emitter e über den Arbeitswiderständen R2 abgegriffen wird, wird dann über die Kollektor-Ausgänge c auf die Gates g der Leistungstransistoren T1 gelegt. Die Leistungstransistoren T1 wurden in der tatsächlichen Realisierung als selbstsperrende MOSFETs von einer bestehenden LED-Beschaltung übernommen. Es handelt sich um sogenannte „Digitale Leistungstransistoren", die über einen kleinen Gate- Spannungsbereich vom Sperren zum Durchschalten zu bringen sind (hohe Verstärkung der Gate- Spannung auf den MOSFET-Durchlasswiderstand). The circuit concept separates the power control with the power transistors T1 from the regulation of the current, which is realized with a control transistor pair T2, T2. As a result, a high control gain is realized, which has a very precise current division / mirroring result. The control transistor pair T2, T2 operates with coupled bases as differential amplifiers. The amplified current difference, which is tapped as a voltage by means of the emitter e via the load resistors R2, is then applied via the collector outputs c to the gates g of the power transistors T1. The power transistors T1 were taken over in the actual implementation as a self-blocking MOSFETs of an existing LED circuit. These are so-called "digital power transistors", which are to be brought through a small gate voltage range from blocking to turn on (high gain of the gate voltage on the MOSFET on-resistance).
Eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung liegt in der Definition des Referenzarbeitspotenti- als V8 (auch als Referenz-Arbeitspunkt bezeichnet), da die Versorgungsspannung in der Applikation über einen weiten Bereich variiert, um die LED-Stränge dimmen zu können. Der Referenz-
Arbeitspunkt wird stabilisiert, um eine hohe Regelverstärkung zu erhalten. Die Arbeitspunktstabilisierung wird durch zwei Maßnahmen erreicht: A special feature of the present invention lies in the definition of the Referenzarbeitspotenti- as V8 (also referred to as a reference operating point), since the supply voltage varies in the application over a wide range in order to dim the LED strands can. The reference Operating point is stabilized to obtain a high control gain. The working point stabilization is achieved by two measures:
1 . Auskopplung einer Konstant-Spannung V3 mittels der Zener-Diode D3 1 . Extracting a constant voltage V3 by means of the zener diode D3
2. Rückkopplung der Kollektorspannungen auf die Basis des NPN-Paars T2, T2 mittels der Dioden D2, D2. 2. Feedback of the collector voltages to the base of the NPN pair T2, T2 by means of the diodes D2, D2.
Es versteht sich, dass der Fachmann in der Lage sein wird, die Schaltungsanordnung je nach Typ und Anzahl der verwendeten LEDs (Vorgabe D1 ) in geeigneter Weise anzupassen und geeignete Schaltungselemente auszuwählen. It is understood that the skilled person will be able to suitably adapt the circuit arrangement according to the type and number of LEDs used (default D1) and to select suitable circuit elements.
Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung 200 mit einer Stromsteuerschaltung 30 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. FIG. 2 shows a circuit arrangement 200 having a current control circuit 30 according to a second exemplary embodiment of the present invention.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind in der Schaltungsanordnung 200 eine Versorgungsschaltung 10, vier parallele Stromzweige 20, welche durch die Versorgungsschaltung 10 mit Strom versorgt werden, und eine Stromsteuerschaltung 30 vorgesehen. As shown in FIG. 2, in the circuit arrangement 200, there are provided a supply circuit 10, four parallel current branches 20 which are supplied with power by the supply circuit 10, and a current control circuit 30.
Anders als die Schaltungsanordnung 100 des ersten Ausführungsbeispiels weist die Stromsteuerschaltung 30 nicht zwei, sondern, entsprechend der Anzahl der zu versorgenden und zu steu- ernden Stromzweige 20, vier Steuerzweige 50 auf. Ansonsten gilt für den Aufbau und die Ver- schaltung jedes der Schaltungsteile 10, 20, 30, 40, 50 sinngemäß das für das vorhergehende Ausführungsbeispiel Gesagte, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen von einer erneute Beschreibung abgesehen wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in Fig. 2 auf eine Um- zeichnung der Schaltungsteile 10, 30, 40 verzichtet. Unlike the circuit arrangement 100 of the first exemplary embodiment, the current control circuit 30 does not have two, but four control branches 50, corresponding to the number of current branches 20 to be supplied and controlled. Otherwise, the structure and the connection of each of the circuit parts 10, 20, 30, 40, 50 analogously apply to what was said for the preceding embodiment, so that a renewed description is omitted to avoid repetition. For reasons of clarity, FIG. 2 omits a re-drawing of the circuit parts 10, 30, 40.
Zur Klarheit wird darauf hingewiesen, alle Stromzweige 20 wie auch die Stromsteuerschaltung 30 von dem durch die Versorgungsschaltung 10 gelieferten Hauptversorgungspotential V1 abzweigen, alle Steuerzweige 50 von dem durch den Skalierwiderstand 50 gelieferten Potential V6 abzweigen, die Basen aller vier Steuertransistoren T2 auf das gemeinsame Basispotential V7 füh- ren und das Gate des Leistungstransistors T1 jedes Stromzweigs 20 mit dem Kollektor des Steuertransistors T2 genau eines einem anderen Stromzweig 20 zugeordneten Steuerzweigs 50 verbunden sind. For clarity, it should be noted that all the current branches 20 as well as the current control circuit 30 branch off from the main supply potential V1 supplied by the supply circuit 10, all control branches 50 branch off from the potential V6 supplied by the scaling resistor 50, the bases of all four control transistors T2 to the common base potential V7 lead and the gate of the power transistor T1 of each current branch 20 with the collector of the control transistor T2 are connected to exactly one another branch 20 associated control branch 50.
Mit anderen Worten, bei diesem Ausführungsbeispiel sind vier Verbrauchernetze 40 vorgesehen, in welchen jeweils mehrere Leuchtdioden D1 angeordnet sind. Die einzelnen Stromzweige 20 mit jeweiligem Verbrauchernetz 40 sind über einen jeweils zugeordneten Steuerzweig 50 der
Stromsteuerschaltung 30 zirkulär gekoppelt. Ansonsten funktioniert diese Schaltungsanordnung 200 genauso wie mit zwei Stromzweigen 20. In other words, in this embodiment, four consumer networks 40 are provided, in each of which a plurality of light-emitting diodes D1 are arranged. The individual power branches 20 with respective consumer network 40 are via a respective associated control branch 50 of Current control circuit 30 coupled in a circular manner. Otherwise, this circuit arrangement 200 works in the same way as with two current branches 20.
Je mehr Stromzweige 20 vorhanden sind, desto diffiziler und empfindlicher wird eine stabile Stromsteuerung. Simulationen haben gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Schaltungskon- zept die Ströme in drei oder vier Stromzweigen gut geregelt werden können. The more current branches 20 are present, the more difficult and sensitive is a stable current control. Simulations have shown that with the circuit concept according to the invention, the currents in three or four current branches can be well controlled.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung 300 mit einer Stromsteuerschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung 300 dieses Ausführungsbeispiels ist der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung 100 des ersten Ausführungsbeispiels funktional gleichwertig mit dem Unterschied, dass anstelle eines NPN-Transistors ein PNP-Transistor als Steuertransistor T2 und anstelle des NMOS-Leistungstransistors ein PMOS-Leistungstransistor T1 verwendet werden. Dieser prinzipielle Unterschied bedingt eine Umkehrung des Schaltungsaufbaus, d.i., der Reihenfolge der Schaltungselemente. So liegt in jedem Stromzweig 20 zunächst der Arbeitswiderstand R2 an dem Hauptversorgungspotential V1 , gefolgt von dem selbstsperrenden Leistungstransistor T1 mit Source s und danach an dessen Drain d das Verbrauchernetz 40, das schließlich auf das Stromsenkenpotential V4 fällt. Das Arbeitspotential V3 wird am Drain d des Leistungstransistor T1 abgegriffen und liegt am Kollektor c des Steuertransistors (PNP- Transistors) T2, dessen Emitter e über den Steuerwiderstand R3 auf das gemeinsame Steuerhauptpotential V6 fällt. Der Skalierwiderstand R3 führt das gemeinsame Steuerhauptpotential V6 auf das Stromsenkenpotential V4. Die Steuerdiode D2 führt von dem gemeinsamen Referenzarbeitspotential V7 auf die Emitterseite e des jeweiligen Steuertransistors T2, und das Gate g des Leistungstransistors T1 liegt ebenfalls auf der Emitterseite e des Steuertransistors T2 des jeweils anderen Stromzweigs 20. Die Zenerdiode weist von dem Hauptversorgungspotential V1 auf das Steuerhauptpotential V6. 3 shows a circuit arrangement 300 with a current control circuit according to a third exemplary embodiment of the present invention. The circuit arrangement 300 shown in FIG. 3 of this embodiment is functionally equivalent to the circuit arrangement 100 of the first exemplary embodiment shown in FIG. 1, with the difference that instead of an NPN transistor, a PNP transistor is used as the control transistor T2 and, instead of the NMOS power transistor, a PMOS transistor. Power transistor T1 can be used. This principle difference requires a reversal of the circuit structure, that is, the order of the circuit elements. Thus, in each branch 20 of the working resistance R2 is at the main supply potential V1, followed by the self-blocking power transistor T1 with source s and then at the drain d the consumer network 40, which finally falls to the current sink potential V4. The working potential V3 is tapped at the drain d of the power transistor T1 and is located at the collector c of the control transistor (PNP transistor) T2, whose emitter e falls via the control resistor R3 to the common control main potential V6. The scaling resistor R3 carries the common control main potential V6 to the current sink potential V4. The control diode D2 leads from the common reference working potential V7 to the emitter side e of the respective control transistor T2, and the gate g of the power transistor T1 is also on the emitter side e of the control transistor T2 of the other current branch 20. The zener diode has from the main supply potential V1 to the control main potential V6.
Mit anderen Worten wird das Arbeitspotential V3 jedes Stromzweigs 20 hier anders als in dem Fall einer Steuerung durch npn-Transistoren mittels einer Kollektor-Schaltung mit den zwei Steu- ertransistoren (pnp-Transistoren) T2 abgegriffen. Die beiden Steuertransistoren werden mit dem gleichen Basispotential V7 versorgt. In Abhängigkeit von den Spannungsabfällen U2 über die Arbeitswiderstände R2, also letztlich in Abhängigkeit von den Arbeitspotentialen V3, verteilt sich ein Basisstrom über die Steuertransistoren T2. Damit arbeitet die Stromsteuerschaltung 30 grundsätzlich ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel, nur mit umgekehrter Anordnungsrichtung. Eine ausführliche Beschreibung der Funktions-
weise wird daher zur Vermeidung von Wiederholungen weggelassen, stattdessen auf die Beschreibung zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen, die analog anzuwenden ist. Anzumerken ist noch, dass sich die Arbeitsspannung U2 hier als Differenz zwischen dem Hauptversorgungspotential V1 und dem Arbeitspotential V3 ergibt, das hier als Source-Potential des Leistungstransistors T1 anfällt. In other words, unlike the case of control by npn transistors, the working potential V3 of each current branch 20 is tapped here by means of a collector circuit with the two control transistors (pnp transistors) T2. The two control transistors are supplied with the same base potential V7. Depending on the voltage drops U2 on the load resistors R2, so ultimately in response to the work potentials V3, a base current distributed over the control transistors T2. Thus, the current control circuit 30 operates in principle as well as in the first embodiment, only in the reverse arrangement direction. A detailed description of the functional Theory is therefore omitted to avoid repetition, instead, reference is made to the description of the first embodiment, which is analogous to apply. It should also be noted that the working voltage U2 here results as the difference between the main supply potential V1 and the working potential V3, which is obtained here as the source potential of the power transistor T1.
Die Schaltungsanordnungen 100, 200, 300 sind grundsätzlich für den Gleichstrombetrieb vorgesehen. Simulationen haben gezeigt, dass sie auch gepulst betrieben werden können. Die Schaltungen zeigen gutes dynamisches Verhalten. The circuit arrangements 100, 200, 300 are basically provided for the DC operation. Simulations have shown that they can also be operated pulsed. The circuits show good dynamic behavior.
Mit unterschiedlichen Arbeitswiderständen R2 können unterschiedliche Stromverteilungen in den einzelnen Stromzweigen 20 eingestellt werden. Die Arbeitswiderstände R2 können auch durch Potentiometer verkörpert werden, so dass der Stromfluss in einzelnen Stromzweigen 20 von Hand individuell einstellbar ist. Das oben beschriebene Schaltungskonzept wurde erst in einer Schaltungssimulationssoftware (LTSpice) simuliert, dann implementiert und getestet. Die Simulationen decken ungleiche Stromverhältnisse, sowie Erweiterung auf mehrere Zweige ab. Die Implementierung wurde für gleiche Stromverhältnisse und zwei Zweige durchgeführt. Die Schaltung wurde sowohl in der Simulation als auch in der Praxis getestet, indem eine einzelne LED D1 mal in einem, mal im anderen Stromzweig 20 überbrückt wurde. Die dadurch entstehende Asymmetrie der Gesamt-Flussspannungen der LED-Stränge würde ohne die erfindungsgemäße Stromsteuerschaltung 30 zu sehr unterschiedlichen Strömen in den beiden Stromzweigen 20 führen. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt anhand eines Messprotokolls die Wirkung der erfindungsgemäßen Stromsteuerschaltung 30 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt und oben erläutert ist.
With different load resistors R2 different power distributions in the individual power branches 20 can be adjusted. The load resistors R2 can also be embodied by potentiometers, so that the current flow in individual current branches 20 can be set individually by hand. The circuit concept described above was first simulated in a circuit simulation software (LTSpice), then implemented and tested. The simulations cover unequal current conditions, as well as extension to several branches. The implementation was carried out for equal current ratios and two branches. The circuit was tested both in simulation and in practice by bridging a single LED D1 times in one, sometimes in the other current branch 20. The resulting asymmetry of the total flux voltages of the LED strings would lead to very different currents in the two current branches 20 without the current control circuit 30 according to the invention. Table 1 below shows, by means of a measurement protocol, the effect of the current control circuit 30 according to the invention according to the first embodiment, which is shown in FIG. 1 and explained above.
Gesamtstrom l(R1 ) [mA] 200 600 1000 1400 1800 symmetrisch (keine LED gebrückt) Total current l (R1) [mA] 200 600 1000 1400 1800 symmetrical (no LED bridged)
Versorgungsspannung V1 -V4 [V] 30,86 34,40 36,10 37,30 38,20 Supply voltage V1 -V4 [V] 30,86 34,40 36,10 37,30 38,20
Arbeitsstrom linker Zweig l(R2) [mA] 102,3 303 504 705 907 Working current left branch I (R2) [mA] 102.3 303 504 705 907
Arbeitsstrom rechter Zweig l(R2) [mA] 101 ,9 303 504 705 907 Working current right branch I (R2) [mA] 101, 9 303 504 705 907
Verlustspannung linker Zweig V2-V3 [V] 0,047 0,055 0,1 14 0,213 0,440 Loss voltage left branch V2-V3 [V] 0.047 0.055 0.1 14 0.213 0.440
Verlustspannung rechter Zweig V2-V3 [V] 0,017 0,055 0,076 0,193 0,389 asymmetrisch (eine LED gebrückt) Loss voltage right branch V2-V3 [V] 0,017 0,055 0,076 0,193 0,389 asymmetrical (one LED bridged)
Versorgungsspannung V1 -V4 [V] 30,86 34,40 36,10 37,30 38,20 Supply voltage V1 -V4 [V] 30,86 34,40 36,10 37,30 38,20
Arbeitsstrom linker Zweig l(R2) [mA] 103,0 304 505 706 908 Working current left branch l (R2) [mA] 103.0 304 505 706 908
Arbeitsstrom rechter Zweig l(R2) [mA] 102,0 303 504 705 907 Operating current right branch I (R2) [mA] 102.0 303 504 705 907
Verlustspannung linker Zweig V2-V3 [V] 2,836 2,974 3,103 3,242 3,388 Loss voltage left branch V2-V3 [V] 2,836 2,974 3,103 3,242 3,388
Verlustspannung rechter Zweig V2-V3 [V] 0,017 0,055 0,104 0,153 0,209 Loss voltage right branch V2-V3 [V] 0.017 0.055 0.104 0.153 0.209
Tabelle 1 : Messergebnisse an der Schaltungsrealisierung Table 1: Measurement results at the circuit realization
Aus Tabelle 1 geht hervor, dass die Stromsteuerschaltung 30 die durch Brücken einer LED provozierte Asymmetrie zu nahezu 100% kompensiert, dies ist eine sehr sichere Abschätzung der Zuverlässigkeit der Stromsteuerung, denn in der praktischen Anwendung geht es eher um die Kompensation von unterschiedlich großen Flussspannungen einzelner Leuchtdioden D1 , die sich in der Summe weit weniger drastisch auswirken als die Überbrückung einer Leuchtdiode D1 . From Table 1 it can be seen that the current control circuit 30 compensates for almost 100% of the asymmetry provoked by bridges of an LED, this is a very reliable estimate of the reliability of the current control, because in practical application it is more a matter of compensating for different forward flux voltages Light-emitting diodes D1, which in total have far less drastic effects than the bridging of a light-emitting diode D1.
Während die vorstehenden Ausführungsbeispiele und die Simulationen und Testschaltungen für eine Aufteilung 1 : 1 konzipiert sind, ist die Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verteilung mit gleichem Stromverhältnis beschränkt. Für Aufteilung in ungleiche Ströme muss nur das Verhältnis der Arbeitswiderstände R2 entsprechend gewählt werden. Man kann dieses Verhältnis auch mittels unterschiedlicher Steuerwiderstände R4 variieren. Der Kondensator C1 kann gewählt werden, um die dynamischen Eigenschaften in der praktischen Schaltung zu optimieren. While the above embodiments and the simulations and test circuits are designed to be split 1: 1, the application of the present invention is not limited to the same current ratio distribution. For division into unequal currents, only the ratio of the working resistors R2 must be selected accordingly. One can also vary this ratio by means of different control resistors R4. The capacitor C1 can be chosen to optimize the dynamic characteristics in the practical circuit.
Mit der oben anhand mehrerer Ausführungsbeispiel beschriebenen Schaltungsanordnungen 100, 200, 300 bzw. der dort vorgesehenen Stromsteuerschaltung 30 konnten nach den Simulations- und Testergebnissen With the circuit arrangements 100, 200, 300 described above with reference to a plurality of embodiments or the current control circuit 30 provided there, it was possible according to the simulation and test results
- eine automatische Stromteilung;
- eine Verbesserung der Genauigkeit (<5% Abweichung); - an automatic power split; - an improvement in accuracy (<5% deviation);
- eine Verbesserung der Robustheit gegenüber Stromstärke und Schaltungselement- Toleranzen; an improvement of the robustness against current intensity and circuit element tolerances;
- ein gutes dynamisches Verhalten beim Ein- und Ausschalten, sowie im Pulsbetrieb; - a good dynamic behavior when switching on and off, as well as in pulse mode;
- ein einfacher Aufbau durch eine geringe Anzahl von Schaltungselementen; a simple structure by a small number of circuit elements;
- die Möglichkeit einer Wiederverwertung des gleichen LED-Ketten-Aufbaus wie in den bisherigen Beleuchtungen, sowie einer Wiederverwertung der gleichen Leistungstransistoren; - The possibility of recycling the same LED chain structure as in the previous lighting, as well as a recycling of the same power transistors;
- eine hohe Effizienz aufgrund geringer Verlustleistung der Regelschaltung - High efficiency due to low power loss of the control circuit
erzielt werden. Die Schaltung hat des Weiteren den Vorteil, dass sie sich auch über einen weiten Bereich an ungleiche Stromteilungsverhältnisse anpassen kann, sowie auf mehrere (also zwei oder mehr) LED-Ketten-Zweige erweitert werden kann. be achieved. The circuit furthermore has the advantage that it can also be adapted over a wide range of unequal current division ratios, and can be extended to a plurality (ie two or more) LED chain branches.
Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele weisen eine Stromquelle P1 auf, welche Strompulse mit unterschiedlicher Dauer (1 με -1 s) und mit unterschiedlicher Stromstärke (0,1 nA - 2A) er- zeugt. Die Erfindung kann auch mit einer Strom- bzw. Spannungsquelle mit einer konstanten Ausgangsspannung bzw. mit einem konstanten Stromsignal betrieben werden. The exemplary embodiments explained above have a current source P1, which generates current pulses with a different duration (1 με -1 s) and with different current strength (0.1 nA-2A). The invention can also be operated with a current or voltage source with a constant output voltage or with a constant current signal.
Selbst kurze Pulse können mit der erfindungsgemäßen Stromsteuerschaltung sicher und zuverlässig im gewünschten Verhältnis geregelt werden. Die erfindungsgemäße Stromsteuerschaltung zeigt somit ein sehr schnelles Ansprechverhalten. Even short pulses can be safely and reliably controlled in the desired ratio with the current control circuit according to the invention. The current control circuit according to the invention thus shows a very fast response.
Bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen sind die Leistungstransistoren T1 als selbstsperrende Feldeffekttransistoren ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung können auch selbstleitende Transistoren verwendet werden, wobei das an der Gate-Elektrode anliegende Potential V4 dann entsprechend invertiert sein sollte. Bei selbstleitenden Feldeffekttransistoren kann es zweckmäßig sein, diese beim Einschalten der gesamten Stromsteuerschaltung zunächst mit einem Sperrpotential zu beaufschlagen, bevor die Regelung durch die Stromsteuerschaltung wirksam wird. In the embodiments explained above, the power transistors T1 are designed as self-locking field-effect transistors. Self-conducting transistors can also be used in the context of the invention, wherein the potential V4 applied to the gate electrode should then be correspondingly inverted. In the case of normally-isolated field-effect transistors, it may be expedient first to apply a blocking potential to these when the entire current control circuit is switched on, before the regulation by the current control circuit becomes effective.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, die sich auf die Verteilung eines Versorgungsstroms auf zwei oder mehr parallele Stromzweige 20 mit jeweiligen Verbrauchernetzen 40 beschrieben, wobei jedes der Verbrauchernetze 40 beispielhaft als LED-Kette mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Leuchtdioden D1 aufgebaut ist. Die beschriebene Stromsteuerschaltung 30 ist jedoch auch auf andere Arten von parallel geschalteten Verbrauchernetzen 40 anwendbar, bei denen eine möglichst exakte Einhaltung eines be- stimmten Stromteilungsverhältnisses gewünscht oder erforderlich ist. Es können nichtlineare Verbraucher verwendet werden und trotzdem wird eine vorbestimmte Verteilung erzielt.
Bei mehr als zwei Stromzweigen 20 ist es auch denkbar, eine verschachtelte Anordnung zu wählen, bei welcher jeweils zwei oder drei Stromzweige parallel zusammengefasst und gesteuert werden und mehrere solcher Parallelschaltungen zu einer Gesamtparallelschaltung zusammengefasst und gesteuert werden, anstelle alle Stromzweige 20 parallel zu verschalten und zu steu- ern. Mit anderen Worten, jede der Parallelschaltungen wird als ein Verbrauchernetz verstanden. Auf diese Weise kann eine zwei- oder mehrstufige Steuerung vorgenommen werden, die zwar einen komplexeren Schaltungsaufbau und mehr Schaltungselemente erfordern kann, aber möglicherweise regelungstechnische Vorteile aufweisen kann. Im Rahmen dieser Anmeldung wird durchgehend der Begriff der Steuerung verwendet. Dieser Begriff unterscheidet im Rahmen dieser Anmeldung nicht zwischen einer einfachen Vorwärtssteuerung und einer Regelung mit Rückführung der Steuergröße. The present invention has been described in terms of several embodiments which describe the distribution of a supply current to two or more parallel current branches 20 with respective consumer networks 40, each of the consumer networks 40 being constructed, for example, as an LED array having a plurality of light emitting diodes D1 connected in series , However, the current control circuit 30 described is also applicable to other types of consumer networks 40 connected in parallel, in which the most exact possible compliance with a specific current division ratio is desired or required. Non-linear consumers can be used and yet a predetermined distribution is achieved. In the case of more than two current branches 20, it is also conceivable to choose a nested arrangement in which two or three current branches are combined and controlled in parallel and a plurality of such parallel circuits are combined and controlled to form an overall parallel circuit, instead of connecting and connecting all current branches 20 in parallel In other words, each of the parallel circuits is understood as a consumer network. In this way, a two- or multi-stage control can be made, although may require a more complex circuit structure and more circuit elements, but may have control advantages. In the context of this application, the term control is used throughout. In the context of this application, this term does not differentiate between a simple feed-forward control and a control with feedback of the control variable.
Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die qualitative Bezeichnung von Schaltungselementen wie etwa von Widerständen als Vorschaltwiderstand, Arbeitswiderstand, Skalierwiderstand, Steuerwiderstand, Ausgleichswiderstand, von Dioden als Steuerdioden, von Kondensatoren als Ausgleichskondensatoren, von Transistoren als Steuer- oder Leistungstransistoren lediglich der funktionalen Zuordnung innerhalb der Schaltungsanordnungen dient und keine Einschränkung hinsichtlich der Bauart, Typisierung und Dimensionierung dieser Schaltungselemente bedeuten muss, soweit dies nicht ausdrücklich im Zusammenhang erwähnt ist.
It should also be pointed out that the qualitative designation of circuit elements such as resistors as ballast resistor, load resistor, scaling resistor, control resistor, compensation resistor, diodes as control diodes, capacitors as balancing capacitors, transistors as control or power transistors only the functional assignment within the Circuit arrangements are used and no limitation in the design, typing and dimensioning of these circuit elements must mean, unless this is explicitly mentioned in the context.
Liste der Bezugszeichen und Symbole List of reference signs and symbols
10 Versorgungsschaltung R1 Vorschaltwiderstand 10 supply circuit R1 ballast resistor
20 Stromzweig R2 Arbeitswiderstand 20 current branch R2 working resistance
30 Stromsteuerschaltung R3 Skalierwiderstand 30 Current control circuit R3 Scaling resistor
40 Verbrauchernetz R4 Steuerwiderstand 40 consumer network R4 control resistor
50 Steuerzweig R5 Ausgleichswiderstand 50 Control branch R5 compensation resistance
60 Anschlussklemme 60 connection terminal
100 Schaltungsanordnung T1 Leistungstransistor (Feldeffekttran¬ 100 circuit arrangement T1 power transistor (Feldeffekttran¬
200 Schaltungsanordnung sistor, insbesondere MOSFET) 200 circuit arrangement sistor, in particular MOSFET)
300 Schaltungsanordnung T2 Steuertransistor (Bipolartransistor, npn oder pnp) 300 circuit arrangement T2 control transistor (bipolar transistor, npn or pnp)
b Basis b base
c Kollektor U1 Spannungsabfall über einer LED d Drain U2 Arbeitsspannung (Spannungsabfall e Emitter über Arbeitswiderstand R2) c collector U1 voltage drop across a LED d drain U2 working voltage (voltage drop e emitter via working resistor R2)
g Gate g gate
s Source vo Nullpotential s Source of zero potential
V1 Hauptversorgungspotential V1 main supply potential
C1 Ausgleichskondensator V2 Verbraucherpotential C1 equalizing capacitor V2 consumer potential
V3 Arbeitspotential V3 work potential
D1 Leuchtdiode (LED) V4 Stromsenkenpotential D1 LED (LED) V4 Current sink potential
D2 Steuerdiode V5 Gate-Potential D2 control diode V5 gate potential
D3 Zenerdiode V6 Steuerhauptpotential D3 Zener diode V6 control main potential
V7 Basispotential V7 base potential
P1 Stromquelle V8 Referenzarbeitspotential
P1 current source V8 reference working potential
Claims
1 . Stromsteuerschaltung (30) zur Verteilung eines Stroms aus einer gemeinsamen Stromquelle (P1 ) auf eine Vielzahl von parallelen Verbrauchernetzen (40) mit einem vorgegebenen Stromteilungsverhältnis, 1 . A current control circuit (30) for distributing a current from a common power source (P1) to a plurality of parallel load networks (40) at a predetermined current split ratio,
wobei die Stromsteuerschaltung (30) für jedes der Verbrauchernetze (40) jeweils aufweist: wherein the power control circuit (30) for each of the power networks (40) comprises:
einen Leistungstransistor (T1 ), insbesondere Feldeffekttransistor, vorzugsweise MOSFET, in Reihe mit dem Verbrauchernetz (40; a power transistor (T1), in particular field effect transistor, preferably MOSFET, in series with the consumer network (40;
einen Arbeitswiderstand (R2) in Reihe mit dem Leistungstransistor (T1 ) auf dessen von dem Verbrauchernetz (40) abgewandten Seite, wobei zwischen dem Arbeitswiderstand (R2) und dem Leistungstransistor (T1 ) ein Arbeitspotential (V3) definiert ist; a load resistor (R2) in series with the power transistor (T1) on its side remote from the load network (40), a working potential (V3) being defined between the load resistor (R2) and the power transistor (T1);
einen Steuerwiderstand (R4), dessen eine Seite mit einem für die gesamte Stromsteuerschaltung (30) einheitlichen Steuerreferenzpotential (V6) verbunden ist; a control resistor (R4) having one side connected to a control reference potential (V6) common to the entire current control circuit (30);
einen Steuertransistor (T2), insbesondere Bipolartransistor, der in einem zwischen dem Arbeitspotential (V3) und der anderen, von dem Steuerreferenzpotential (V6) abgewandten Seite des Steuerwiderstands (R4) ausgebildeten Stromweg angeschlossen ist, wobei die Steuerelektrode, insbesondere Basis (b), des Steuertransistors (T2) mit den Steuerelektroden, insbesondere Basen, der Steuertransistoren (T2) aller anderen Verbrauchernetze (40) verbunden ist, um ein allen Steuertransistoren (T2) gemeinsames Basispotential (V7) auszubilden, das mit den Stromwegen zwischen dem Steuertransistor (T2) und dem Steuerwiderstand (R4) gekoppelt ist; a control transistor (T2), in particular a bipolar transistor, which is connected in a current path formed between the working potential (V3) and the other side of the control resistor (R4) remote from the control reference potential (V6), the control electrode, in particular base (b), the control transistor (T2) is connected to the control electrodes, in particular bases, of the control transistors (T2) of all other consumer networks (40) to form a common base potential (V7) common to all the control transistors (T2) connected to the current paths between the control transistor (T2) and the control resistor (R4) is coupled;
und wobei eine Steuerelektrode des Leistungstransistors (T1 ) mit dem Stromweg zwischen dem Steuertransistor (T2) und dem Steuerwiderstand (R2), die für genau einen anderen der Verbrauchernetze (40) vorgesehen sind, verbunden ist. and wherein a control electrode of the power transistor (T1) is connected to the current path between the control transistor (T2) and the control resistor (R2) provided for exactly another one of the power networks (40).
2. Stromsteuerschaltung (30) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung des gemeinsamen Basispotentials (V7) aus jeweils mittels einer Steuerdiode (D2) zwischen Stromweg zwischen dem Steuertransistor (T2) und dem Steuerwiderstand (R2) und dem Basispotential (V7) ausgebildet ist. Second current control circuit (30) according to claim 1, characterized in that the coupling of the common base potential (V7) from each by means of a control diode (D2) between the current path between the control transistor (T2) and the control resistor (R2) and the base potential (V7) is trained.
3. Stromsteuerschaltung (30) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektroden (D2) aller Stromzweige miteinander verbunden sind und ein Referenzarbeitspotential (V8) bilden, das mittels eines Ausgleichswiderstands (R5) mit dem Basispotential (V7) verbunden ist.
3. Current control circuit (30) according to claim 2, characterized in that the control electrodes (D2) of all current branches are connected to each other and form a reference working potential (V8) which is connected by means of a compensation resistor (R5) to the base potential (V7).
4. Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsteuerschaltung (30) eine Zenerdiode (D3) aufweist, die zwischen dem Steuerreferenzpotential (V6) und einem durch die miteinander verbundenen, von dem jeweiligen Leistungstransistor (T1 ) abgewandten Seiten der Arbeitswiderstände (R2) definierten Potential angeschlossen ist. 4. Current control circuit (30) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the current control circuit (30) comprises a Zener diode (D3) connected between the control reference potential (V6) and one of the interconnected, from the respective power transistor (T1 ) opposite sides of the load resistors (R2) defined potential is connected.
5. Stromsteuerschaltung (30) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuertransistor (T2) ein npn-Transistor ist, wobei 5. Current control circuit (30) according to claim 3 or 4, characterized in that the control transistor (T2) is an npn transistor, wherein
die Verbrauchernetze (40) auf der Seite eines durch die Stromquelle (P1 ) gelieferten, gemeinsamen Hauptversorgungspotential (V1 ) vorgesehen sind, the consumer networks (40) are provided on the side of a common main supply potential (V1) supplied by the current source (P1),
die Arbeitswiderstände (R2) mit einem gemeinsamen Stromsenkenpotential (V4) verbunden sind, the load resistors (R2) are connected to a common current sink potential (V4),
wobei bezüglich jedes der Verbrauchernetze (40) jeweils with respect to each of the consumer networks (40)
das Arbeitspotential (V3) ein Source-Potential des Leistungstransistors (T1 ) ist und mit einem Emitter (e) des Steuertransistors (T2) verbunden ist, the working potential (V3) is a source potential of the power transistor (T1) and connected to an emitter (e) of the control transistor (T2),
die Steuerelektrode des einem Verbrauchernetz (40) zugeordneten Leistungstransistors (T1 ) mit dem Kollektor (c) des einem anderen Verbrauchernetz (40) zugeordneten Steuertransistors (T2) verbunden ist, the control electrode of the power transistor (T1) associated with a consumer network (40) is connected to the collector (c) of the control transistor (T2) associated with another consumer network (40),
der Steuerwiderstand (R2) mit dem Kollektor (c) des Steuertransistors (T2) verbunden ist, the control resistor (R2) is connected to the collector (c) of the control transistor (T2),
das Steuerreferenzpotential (V6) über einen Skalierwiderstand (R3) mit dem Hauptversorgungspotential (V1 ) verbunden ist, und the control reference potential (V6) is connected to the main supply potential (V1) via a scaling resistor (R3), and
die Durchflussrichtung der Steuerdiode (D2) auf das Referenzarbeitspotential the flow direction of the control diode (D2) to the reference working potential
(V8) hinweist, (V8) indicates
und wobei die Durchflussrichtung der Zenerdiode (D3) von dem Stromsenkenpotential (V4) zu dem Steuerreferenzpotential (V6) weist. and wherein the flow direction of the Zener diode (D3) points from the current sink potential (V4) to the control reference potential (V6).
6. Stromsteuerschaltung (30) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuertransistor (T2) ein pnp-Transistor ist, wobei 6. Current control circuit (30) according to claim 3 or 4, characterized in that the control transistor (T2) is a pnp transistor, wherein
die Arbeitswiderstände (R2) mit einem durch die Stromquelle (P1 ) gelieferten, gemeinsamen Hauptversorgungspotential (V1 ) verbunden sind, the working resistors (R2) are connected to a common main supply potential (V1) supplied by the current source (P1),
die Verbrauchernetz (40) auf der Seite eines gemeinsamen Stromsenkenpotentials (V4) vorgesehen sind, the consumer network (40) are provided on the side of a common current sink potential (V4),
wobei bezüglich jedes der Verbrauchernetze (40) jeweils with respect to each of the consumer networks (40)
das Arbeitspotential (V3) ein Drain-Potential des Leistungstransistors (T1 ) ist und mit einem Kollektor (c) des Steuertransistors (T2) verbunden ist,
die Steuerelektrode des einem Verbrauchernetz (40) zugeordneten Leistungstransistors (T1 ) mit dem Emitter (e) des einem anderen Verbrauchernetz (40) zugeordneten Steuertransistors (T2) verbunden ist, the working potential (V3) is a drain potential of the power transistor (T1) and connected to a collector (c) of the control transistor (T2), the control electrode of the power transistor (T1) associated with a consumer network (40) is connected to the emitter (e) of the control transistor (T2) associated with another consumer network (40),
der Steuerwiderstand (R2) mit dem Emitter (e) des Steuertransistors (T2) verbunden ist, the control resistor (R2) is connected to the emitter (e) of the control transistor (T2),
das Steuerreferenzpotential (V6) über einen Skalierwiderstand (R3) mit dem Stromsenkenpotential (V4) verbunden ist, und the control reference potential (V6) is connected to the current sink potential (V4) via a scaling resistor (R3), and
die Durchflussrichtung der Steuerdiode (D2) von dem Referenzarbeitspotential (V8) weg weist, the direction of flow of the control diode (D2) points away from the reference working potential (V8),
und wobei die Durchflussrichtung der Zenerdiode (D3) von dem Hauptversorgungspotential (V1 ) zu dem Steuerreferenzpotential (V6) weist. and wherein the flow direction of the Zener diode (D3) points from the main supply potential (V1) to the control reference potential (V6).
7. Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgleichswiderstand (R5) ein Ausgleichskondensator (C1 ) parallel geschaltet ist. 7. Current control circuit (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the compensation resistor (R5), a balancing capacitor (C1) is connected in parallel.
8. Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (P1 ) eine Gleichstromquelle ist. 8. Current control circuit (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the current source (P1) is a DC power source.
9. Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (P1 ) eine gepulste Stromquelle (P1 ) ist. 9. Current control circuit (30) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the current source (P1) is a pulsed current source (P1).
10. Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitswiderstände (R2) Festwiderstände sind. 10. Current control circuit (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the working resistors (R2) are fixed resistors.
1 1 . Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitswiderstände (R2) verstellbare Widerstände sind. 1 1. Current control circuit (30) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the working resistors (R2) are adjustable resistors.
12. Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitswiderstände (R2) ein Widerstandsverhältnis zueinander aufweisen, das entsprechend dem vorgegebenen Stromteilungsverhältnis ausgewählt ist. 12. Current control circuit (30) according to any one of the preceding claims, characterized in that the working resistances (R2) have a resistance ratio to each other, which is selected according to the predetermined current division ratio.
13. Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Stromteilungsverhältnis ein gleichmäßiges Stromteilungsverhältnis ist.
The current control circuit (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined current dividing ratio is a uniform current dividing ratio.
14. Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Stromteilungsverhältnis ein ungleichmäßiges Stromteilungsverhältnis ist. 14. Current control circuit (30) according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the predetermined current division ratio is an uneven current division ratio.
15. Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versorgungsspannung, die sich aus einer Differenz zwischen dem Hauptversorgungspotential (V1 ) und dem Stromsenkenpotential (V4) ergibt, kleiner als oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert ist, wobei der vorgegebene Grenzwert insbesondere 48 V ist. 15. Current control circuit (30) according to one of the preceding claims, characterized in that a supply voltage, which results from a difference between the main supply potential (V1) and the current sink potential (V4) is less than or equal to a predetermined limit, wherein the predetermined Limit is 48 V in particular.
16. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) mit einer Vielzahl von parallelen Verbrauchernetzen (40), von denen jedes eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Leuchtdioden (D1 ) aufweist, und mit einer Stromsteuerschaltung (30) zur Verteilung eines Stroms aus einer gemeinsamen Stromquelle (P1 ) auf die Vielzahl der parallelen Verbrauchernetze (40) mit einem vorgegebenen Stromteilungsverhältnis, wobei die Stromsteuerschaltung (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche aufgebaut ist. A circuit arrangement (100, 200, 300) comprising a plurality of parallel load networks (40), each having a plurality of light emitting diodes (D1) connected in series, and a current control circuit (30) for distributing a current from a common power source (P1) to said plurality of parallel consumer networks (40) at a predetermined current division ratio, said current control circuit (30) being constructed according to one of the preceding claims.
17. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrauchernetze (40) identisch, insbesondere mit einer identischen Anzahl von Leuchtdioden (D1 ) identischen Typs, aufgebaut sind. 17. Circuit arrangement (100; 200; 300) according to claim 16, characterized in that the consumer networks (40) are constructed identically, in particular with an identical number of light emitting diodes (D1) of identical type.
18. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Verbrauchernetze einen nichtlinearen Verbraucher, insbesondere eine Leuchtdiode, aufweist. 18. Circuit arrangement (100, 200, 300) according to one of the preceding claims, characterized in that each of the consumer networks has a non-linear consumer, in particular a light-emitting diode.
19. Stromsteuerschaltung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrauchernetze (40) jeweils mehrere in Reihe geschaltete Leuchtdioden (D1 ) aufweisen.
19. Current control circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the consumer networks (40) each have a plurality of series connected light emitting diodes (D1).
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