WO2019201778A1 - Led-konverteranordnung mit linearisierter regelstrecke - Google Patents

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Reimar KLOTZ
Clemens KUCERA
Frank Lochmann
Patrick MARTE
Markus Mayrhofer
Christian Nesensohn
Harald Netzer
Oliver Wynnyczenko
David REIMONDEZ
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    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators

Definitions

  • the present invention relates to an LED converter arrangement for operating at least one LED, a method for operating the LED converter arrangement, as well as further devices with the LED converter arrangement, which can be used in particular for lighting applications.
  • an LED converter arrangement for operating at least one LED comprises: detection means for detecting an electrical supply variable of the at least one LED; and a control device for controlling switching means of the LED converter arrangement serving as an actuator as a function of the detected electrical supply variable and a predetermined electrical supply variable of the at least one LED.
  • the control device comprises a control element and a linearization element which is set up to operate the control element for each predetermined electrical supply variable of the at least one LED with a constant regulator coefficient.
  • a comprehensive linearization of a transfer function of the control path with the at least one LED can advantageously be achieved, so that the control element can be operated over the entire value range of the electrical supply variable with a constant controller coefficient provided for it, without always linearizing the transfer function of FIG Require controlled system at the respective operating point.
  • An LED converter arrangement may be understood to mean an electronic circuit and / or a module which is configured to re-circulate an electrical power by means of at least one energy store and at least one switching means, wherein a power flow is transmitted via a pulse-width-modulated activation of the at least one switching means the energy storage is controllable.
  • An LED converter arrangement in the sense of this application can be understood to mean any LED converter in which a manipulated variable is set and a controlled variable can be readjusted slowly.
  • detection means means can be understood which serve to detect electrical quantities and deliver for this purpose derived from these, detected electrical quantities.
  • a measuring resistor can serve as a detection means for a current to be detected, which flows through the measuring resistor.
  • the electrical supply variable to be detected guided by the measuring resistor results in a detected electrical supply variable in the form of a voltage drop across the measuring resistor.
  • An electrical supply variable can be understood to mean an electrical variable, in particular current or voltage, which serves to supply an electrical load.
  • a control device may be understood to mean an electronic circuit and / or assembly which serves a deliberate and purposeful influencing of the behavior of the LED converter arrangement and, in particular, comprises an integrated circuit which is set up, drive signals for active operating means, in particular switching means, of the LED Converter arrangement as a function of input variables and of provide programming or wiring of the integrated circuit.
  • integrated circuits include microcontrollers or application specific integrated circuits, ASICs.
  • a microcontroller can be understood as meaning a programmable integrated circuit which, in addition to a processor function, can also comprise peripheral functions.
  • An application-specific integrated circuit can be understood as meaning a non-programmable integrated circuit whose function is defined by its manufacture.
  • a microcontroller for small batch production and an ASIC for mass production.
  • a control element can be understood as meaning a means in a control loop which serves to determine a general manipulated variable from a (control) deviation between a reference variable (setpoint value) and a detected and returned controlled variable (actual value), which influences an associated controlled system in this way in that the control deviation is minimized in a steady state of the control loop.
  • a control element output a general manipulated variable in the form of a duty cycle of a pulse width modulated drive signal to serving as an actuator switching means.
  • a linearization element can be understood to mean a member in a control circuit having a non-linear transfer function which serves to bring about a linearization of a per se non-linear characteristic of a member of the controlled system.
  • An actuator may be understood to mean a means in a control circuit which serves to determine a manipulated variable from a general manipulated variable which influences an associated controlled system in such a way that the controlled variable moves toward the reference variable in order to control the system deviation in a steady state Minimize control loop.
  • switching means serving as an actuator may output a manipulated variable in the form of a period of a periodic absence of power supply (i.e., a dead time) to the controlled system.
  • a switching means may be understood to mean an electronically actuatable switch which can be alternated between a closed, electrically conductive state and an opened, electrically insulating state. Examples include transistors.
  • Controller coefficients can be understood to be characteristic values of a controller which define a control behavior of the controller as constants in a transfer function of the controller. Examples of coefficients of controllers with proportional, integral and / or differential behavior are proportional, integral and / or derivative coefficients KPR, KI or KD.
  • the LED converter arrangement may be designed in such a way that average current strengths through the at least one LED serve as electrical supply variables of the at least one LED.
  • average currents are easy to detect.
  • a voltage dropping across a measuring resistor can be detected analogously and averaged by an analogue low-pass filter or by means of digital further processing.
  • the control device can be set up to control switching means of the LED converter arrangement serving as an actuator in a gap operation.
  • the control device may be configured to operate the at least one LED in a plurality of dimming stages with a respective associated peak current intensity of an inductance of the LED converter arrangement.
  • a dimming capability of the LED converter arrangement in other application areas provides further possible uses. For example, a power consumption of a dimmed LED load is reduced. Furthermore, a dimming capability may allow deployment of the LED converter assembly even in emergency lighting operation. In addition, without the ability to dim, certain lighting moods which positively influence the user's comfort can not be generated.
  • Dimming levels are understood as meaning different brightness levels of a luminous means, in particular with at least one LED, which result in a control of the luminous means with different power per unit time.
  • the control element can be designed as an integrating control element.
  • an integrating control element ie an I-controller
  • the linearization element can have an inverse function for a control path of the LED converter arrangement comprising the at least one LED, wherein the inverse function allows the control element in each of the plurality of dimming stages to be supplied with a constant regulator coefficient for each predetermined electrical supply variable of the at least one LED operate.
  • this makes it possible to linearize a nonlinearity in the control circuit of the LED converter caused by a gap operation of the LED converter.
  • such a linearization allows a uniform and analytical analysis of the transmission behavior of the underlying control loop.
  • such a linearization element can be preconfigured during manufacture or even during initial startup of the LED converter arrangement, so that no appreciable delay times for regular startup occur in an active operation.
  • the controller may be configured to evaluate the inverse function in the respective one of the plurality of dimming stages with fixed point arithmetic, wherein an absolute error between the fixed point arithmetic and a corresponding floating point arithmetic is less than a predetermined error tolerance threshold.
  • control devices can advantageously be used which, for reasons of cost and / or computing power and thus time, have no, in principle, recommended and desirable dedicated floating-point arithmetic and emulate these by fixed-point arithmetic.
  • the required integrated circuits are in principle simpler and cheaper to provide.
  • the detection means may comprise a measuring resistor.
  • a measuring resistor is a very inexpensive analog circuit element.
  • the switching means may comprise a transistor.
  • a transistor is a very cost-effective, precisely switchable and optimized for a particular application selectable analog circuit element.
  • the LED converter assembly may be configured as a buck converter.
  • a buck converter has a very simple and inexpensive circuit architecture, which in many cases can replace conventional longitudinal voltage regulation.
  • an operating device for operating at least one LED comprises: an LED converter arrangement according to exemplary embodiments.
  • the above-mentioned device features of the LED converter arrangement with their respective advantages in the operating device are analogously usable.
  • An operating device may be understood to mean an electronic circuit and / or assembly which is set up to feed the at least one LED from an electrical energy source which is not equipped per se.
  • a lighting device comprises: an operating device according to exemplary embodiments; and at least one LED.
  • a method for operating at least one LED comprises: detecting an electric power amount of the at least one LED; and controlling serving as an actuator switching means of the LED converter assembly as a function of the detected electrical supply variable and a predetermined electrical power supply of the at least one LED.
  • the control device is set up to operate a control element of the control device for each predetermined electrical supply variable of the at least one LED with a constant regulator coefficient.
  • the method can be carried out with an LED converter arrangement according to exemplary embodiments.
  • the method comprises the respective corresponding features of the LED converter arrangement.
  • Fig. 1 shows schematically a known LED converter arrangement.
  • FIG. 2 schematically shows a control circuit for an LED converter arrangement according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 3 shows schematically an operating device with the LED converter arrangement according to an embodiment and a lighting device with the operating device.
  • FIG. 4 schematically shows a method for operating the LED converter arrangement according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 1 shows schematically a known LED converter arrangement 10, which is designed as a buck converter.
  • This exemplary LED converter arrangement 10 serves to operate at least one load-side connectable LED 41.
  • the LED converter arrangement 10 is set up to reconnect an electrical power supplied on the supply side by means of at least one energy store 11, 12 and at least one switching means 13A, 13B, wherein a pulse-width-modulated drive 14A, 14B of the at least one switching means 13A , 13B, a power flow through the energy storage 1 1, 12 is controllable.
  • the LED converter arrangement 10 comprises in a push-pull to be controlled transistors. In this way, a square-wave voltage with a specific duty cycle is generated from the supply side supplied electric power.
  • the LED converter arrangement 10 comprises an inductance 11 and a filter capacitance 12, which together form an LC low-pass filter which averages the square-wave voltage generated by the switching means 13A, 13B from the supply-side supplied voltage.
  • the LED converter arrangement 10 is designed in such a way that average current intensities through the at least one LED 41 serve as electrical actual supply variable 16, detected actual electrical supply variable 18 or nominal electrical supply variable 19 of the at least one LED 41.
  • the LED converter assembly 10 further comprises detecting means 17 for detecting the electric feeding amount 16 of the at least one LED 41.
  • the detecting means 17 includes a measuring resistor serving to detect a detected electric quantity 18 derived from the average LED current 16 to deliver, which represents the feedback size of the below detailed control loop 30.
  • the average LED current value 16 to be detected flows through the measuring resistor, and consequently leads to a detected electrical supply variable 18 in the form of a voltage dropping to the measuring resistor to ground, which is proportional to the average LED current 16 to be detected.
  • the LED converter arrangement 10 additionally comprises a control device 15, which will be explained in more detail below in connection with FIG. 2.
  • FIG. 2 schematically shows a control circuit 30 for an LED converter arrangement 10 according to one exemplary embodiment.
  • the controlled system to be controlled comprises, in addition to a member, which expresses the non-linearity of the at least one LED 41 in a gap operation, a linearization element 21.
  • the control device 15 likewise apparent from the control circuit 30 serves to control the switching means 13A, 13B of the LED converter arrangement 10 as an actuator as a function of the detected electrical supply variable 18 (feedback variable which includes the actual value of the controlled variable) and a predetermined electrical supply variable 19 (setpoint of the controlled variable) of the at least one LED 41.
  • the actuation of the actuator takes place in a gap operation with a dead time TDEAD, which in particular depends on a duty cycle and a period of the pulse width modulated drive signal 14A and represents the manipulated variable of the control loop 30.
  • the control device 15 is further configured to operate the at least one LED 41 in a plurality of dimming stages with a respective associated peak current intensity lp of the inductance 1 1.
  • the electrical power supply 16 of the at least one LED 41 is thus determined by
  • the control device 15 comprises a control element 20, which is designed in particular as an integrating control element.
  • the integrating controller has a transfer function G (s) in the frequency domain of:
  • the controlled system can generally be described by the controlled variable as a function of the manipulated variable.
  • the control circuit 30 of FIG. 2 with the underlying LED converter arrangement 10 of FIG. 1 this means that the average LED current 16 results as a function of the dead time TDEAD of the gap operation:
  • a cut-off frequency fc of the closed loop 30 is quite generally dependent on the controller coefficient Ki and on a slope of the function f describing the controlled system. Due to the nonlinearity of the function f, therefore, a linearization of the function f at each permissible value for the manipulated variable TDEAD would have to be carried out. However, in order to keep the cut-off frequency fc constant, and thus the time behavior of the control loop 30 constant for each permissible value of the controlled variable IAVG, the controller coefficient would have to be a function of the controlled variable IAVG.
  • control device 15 also comprises the linearization element 21, which is set up to control the control element 20 for each predetermined electrical supply variable 19 of the at least one LED 41, i. for each average LED nominal current IAVG, to operate with a constant regulator coefficient Ki.
  • the linearization element 21 has an inverse or inverse function f 1 , which describes the manipulated variable as a function of the controlled variable:
  • each value of the controlled variable IAVG is mapped to itself:
  • the inverse function therefore makes it possible to operate the control element 20 in the respective one of the plurality of dimming stages for each predetermined electrical supply variable 19 of the at least one LED 41 with a constant regulator coefficient Ki.
  • the control device 15 is configured to evaluate the inverse function in the respective one of the plurality of dimming stages with a fixed-point arithmetic, wherein an absolute error between the fixed-point arithmetic and a corresponding floating-point arithmetic is less than a predetermined fault tolerance threshold.
  • a more accurate linearization can be achieved if the peak current intensity lp in the inverse function f 1 can be changed via the dimming stages.
  • FIG 3 shows schematically an operating device 40 with the LED converter arrangement 10 according to an exemplary embodiment and a lighting device 50 with the operating device 40.
  • the operating device 40 for operating at least one LED 41 comprises an LED converter arrangement 10 and optionally further functional elements such as rectifiers, an auxiliary winding for a low-voltage power supply, etc.
  • the illumination device 50 comprises such an operating device 40 according to exemplary embodiments and the at least one LED 41, and is particularly suitable for "point-of-load" energy supply architectures.
  • FIG. 4 schematically shows a method 60 for operating the LED converter arrangement 10 according to one exemplary embodiment.
  • the method 60 may be performed with an LED converter assembly 10 in accordance with embodiments, and serves to operate at least one LED 41 with an LED converter assembly 10, such as shown in FIG. 1, which may be incorporated in a control loop 30, such as in FIG is involved.
  • the method 60 comprises: detecting 61 an electric power supply 16 of the at least one LED 41; and a drive 61 of switching means 13A, 13B of the LED converter arrangement 10 serving as an actuator as a function of the detected electrical supply variable 18 and a predetermined electrical supply variable 19 of the at least one LED 41.
  • the control device 15 is set up Control member 20 of the control device 15 for each predetermined electrical power supply 19 of the at least one LED 41 to operate with a constant regulator coefficient Ki.
  • LED converter arrangements have been described according to exemplary embodiments, various modifications can be realized in other exemplary embodiments.
  • the features essential to the invention can be used in any LED converter arrangement in which a manipulated variable is set and a controlled variable can be slowly readjusted.

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine LED-Konverteranordnung (10) zum Betreiben zumindest einer LED (41), umfassend Erfassungsmittel (17) zum Erfassen einer elektrischen Speisungsgröße (16) der zumindest einen LED (41), und eine Steuereinrichtung (15) zum Ansteuern von als Stellglied dienenden Schaltmitteln (13A, 13B) der LED-Konverteranordnung (10) in Abhängigkeit von der erfassten elektrischen Speisungsgröße (18) und einer vorgegebenen elektrischen Speisungsgröße (19) der zumindest einen LED (41), wobei die Steuereinrichtung (15) ein Regelglied (20) und ein Linearisierungsglied (21) umfasst, welches dazu eingerichtet ist, das Regelglied (20) für jede vorgegebene elektrische Speisungsgröße (19) der zumindest einen LED (41) mit einem konstanten Reglerbeiwert (KI) zu betreiben.

Description

L E D - KO N V E RTE RA N O R D N U N G M I T L I N EAR I S I E RT E R
R E G E LS T R E C KE
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED-Konverteranordnung zum Betreiben zumindest einer LED, ein Verfahren zum Betreiben der LED-Konverteranordnung, sowie weitere Vorrichtungen mit der LED-Konverteranordnung, welche insbesondere für Beleuchtungsan- wendungen einsetzbar sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem Lückbetrieb betriebene bekannte LED-Konverteranordnungen weisen regelmäßig Regelstrecken mit einem nichtlinearen Verhalten auf.
In derartigen LED-Konvertern findet bei jeder Veränderung der Regelgröße eine Anpassung der Reglerbeiwerte, welche die Übertragungsfunktion des eingesetzten Regelgliedes be- schreiben, statt, um die damit zwangsläufig einhergehende, nichtlineare Veränderung der Stellgröße zu kompensieren und so eine Grenzfrequenz und damit ein Zeitverhalten des Regelkreises konstant zu halten.
Damit ist keine einheitliche und analytische Berechnung des Übertragungsverhaltens des zugrundeliegenden Regelkreises mit Hilfe von Übertragungsfunktionen möglich.
Eine geschlossene Betrachtung eines solchen nichtlinearen Regelsystems ist nur sehr schwer oder überhaupt nicht möglich. Aussagen zur Stabilität erfordern beispielsweise die Zuhilfenahme numerischer Simulationen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es besteht daher ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren, welche diesen Nachteilen abhelfen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine LED-Konverteranordnung zum Betreiben zumindest einer LED gemäß Anspruch 1 , durch ein Betriebsgerät gemäß Anspruch 11 mit der LED-Konverteranordnung und durch eine Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 12 mit dem Betriebsgerät gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteil- hafte Ausführungsformen der Erfindung. Gemäß einem ersten Aspekt umfasst eine LED-Konverteranordnung zum Betreiben zumin- dest einer LED: Erfassungsmittel zum Erfassen einer elektrischen Speisungsgröße der zu- mindest einen LED; und eine Steuereinrichtung zum Ansteuern von als Stellglied dienenden Schaltmitteln der LED-Konverteranordnung in Abhängigkeit von der erfassten elektrischen Speisungsgröße und einer vorgegebenen elektrischen Speisungsgröße der zumindest ei- nen LED. Dabei umfasst die Steuereinrichtung ein Regelglied und ein Linearisierungsglied, welches dazu eingerichtet ist, das Regelglied für jede vorgegebene elektrische Speisungsgröße der zumindest einen LED mit einem konstanten Reglerbeiwert zu betreiben.
Vorteilhaft kann dabei eine umfassende Linearisierung einer Übertragungsfunktion der Re- gelstrecke mit der zumindest einen LED erreicht werden, sodass das Regelglied über den gesamten Wertebereich der elektrischen Speisungsgröße hinweg mit einem dafür vorgesehenen, konstanten Reglerbeiwert betreibbar ist, ohne stets eine Linearisierung der Übertra- gungsfunktion der Regelstrecke beim jeweiligen Arbeitspunkt zu erfordern.
Unter einer LED-Konverteranordnung kann eine elektronische Schaltung und/oder Bau- gruppe verstanden werden, welche dazu eingerichtet ist, eine elektrische Leistung mittels zumindest eines Energiespeichers und zumindest eines Schaltmittels umzuspannen, wobei über eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des zumindest einen Schaltmittels ein Leis- tungsfluss durch den Energiespeicher steuerbar ist. Unter einer LED-Konverteranordnung im Sinne dieser Anmeldung kann jeder LED-Konverter verstanden werden, bei welchem eine Stellgröße gesetzt und eine Regelgröße langsam nachgeregelt werden kann.
Unter Erfassungsmitteln können Mittel verstanden werden, welche dazu dienen, elektrische Größen zu erfassen und zu diesem Zweck von diesen abgeleitete, erfasste elektrische Größen liefern. Beispielsweise kann ein Messwiderstand als Erfassungsmittel für eine zu erfassende Stromstärke dienen, welche durch den Messwiderstand fließt. Die durch den Messwiderstand geführte zu erfassende elektrische Speisungsgröße resultiert in einer erfassten elektrischen Speisungsgröße in Form einer an dem Messwiderstand abfallenden Spannung.
Unter einer elektrischen Speisungsgröße kann eine elektrische Größe, insbesondere Stromstärke oder Spannung, verstanden werden, welche zur Speisung einer elektrischen Last dient.
Unter einer Steuereinrichtung kann eine elektronische Schaltung und/oder Baugruppe verstanden werden, welche einer planvollen und zielgerichteten Beeinflussung des Verhaltens der LED-Konverteranordnung dient und dazu insbesondere eine integrierte Schaltung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, Ansteuersignale für aktive Betriebsmittel, insbesondere Schaltmittel, der LED-Konverteranordnung in Abhängigkeit von Eingangsgrößen und von einer Programmierung oder Verdrahtung der integrierten Schaltung bereitstellen. Beispiele für solche integrierte Schaltungen umfassen Mikrocontroller oder anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, ASICs.
Unter einem Mikrocontroller kann eine programmierbare integrierte Schaltung verstanden werden, welche neben einer Prozessorfunktion auch Peripheriefunktionen umfassen kann.
Unter einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung kann eine nicht programmier- bare integrierte Schaltung verstanden werden, deren Funktion durch Ihre Herstellung defi- niert wird.
Vorteilhaft für eine Kostenstruktur ist bei Kleinserienfertigung ein Mikrocontroller, und bei Großserienfertigung ein ASIC.
Unter einem Regelglied kann ein Mittel in einem Regelkreis verstanden werden, welches dazu dient, aus einer (Regel-)Abweichung zwischen einer Führungsgröße (Sollwert) und einer erfassten und zurückgeführten Regelgröße (Istwert) eine allgemeine Stellgröße zu ermitteln, welche eine zugehörige Regelstrecke so beeinflusst, dass die Regelabweichung in einem eingeschwungenen Zustand des Regelkreises minimiert wird. Beispielsweise kann ein Regelglied eine allgemeine Stellgröße in Form eines Tastgrads eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals an als Stellglied dienende Schaltmittel ausgeben.
Unter einem Linearisierungsglied kann ein Glied in einem Regelkreis mit einer nichtlinearen Übertragungsfunktion verstanden werden, welches dazu dient, eine Linearisierung einer an sich nichtlinearen Kennlinie eines Glieds der Regelstrecke herbeizuführen.
Unter einem Stellglied kann ein Mittel in einem Regelkreis verstanden werden, welches dazu dient, aus einer allgemeinen Stellgröße eine Stellgröße zu ermitteln, welche eine zugehörige Regelstrecke so beeinflusst, dass sich die Regelgröße auf die Führungsgröße hin bewegt, um die Regelabweichung in einem eingeschwungenen Zustand des Regelkreises zu mini- mieren. Beispielsweise können als Stellglied dienende Schaltmittel eine Stellgröße in Form einer Zeitdauer einer periodischen Abwesenheit von Leistungszufuhr (d.h. einer Totzeit) an die Regelstrecke ausgeben.
Unter einem Schaltmittel kann ein elektronisch betätigbarer Schalter verstanden werden, weicher zwischen einem geschlossenen, elektrisch leitfähigen Zustand und einem geöffne- ten, elektrisch isolierenden Zustand alternierbar ist. Beispiele umfassen etwa Transistoren. Unter Reglerbeiwerten können Kennwerte eines Reglers verstanden werden, welche als Konstanten in einer Übertragungsfunktion des Reglers ein Regelungsverhalten des Reglers definieren. Beispiele für Beiwerte von Reglern mit Proportional-, Integral- und/oder Differen- tialverhalten sind Proportional-, Integrier- und/oder Differenzierbeiwerte KPR, KI bzw. KD.
Die LED-Konverteranordnung kann derart ausgebildet sein, dass mittlere Stromstärken durch die zumindest eine LED als elektrische Speisungsgrößen der zumindest einen LED dienen.
Vorteilhaft sind mittlere Stromstärken einfach zu erfassen.
Beispielsweise kann hierzu eine an einem Messwiderstand abfallende Spannung analog erfasst und durch ein analoges Tiefpassfilter oder mittels digitaler Weiterverarbeitung gemittelt werden.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, als Stellglied dienende Schaltmittel der LED-Konverteranordnung in einem Lückbetrieb anzusteuern.
Vorteilhaft treten dabei lediglich beim Ausschalten von als Stellglied dienenden Schaltmitteln Schaltverluste auf.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die zumindest eine LED in einer Vielzahl von Dimmstufen mit einer jeweiligen zugehörigen Spitzenstromstärke einer Induktivität der LED-Konverteranordnung zu betreiben.
Vorteilhaft verschafft eine Dimmfähigkeit der LED-Konverteranordnung in verschiedenen Anwendungsbereichen weitere Einsatzmöglichkeiten. Beispielsweise reduziert sich ein Leistungsverbrauch einer gedimmten LED-Last. Des Weiteren kann eine Dimmfähigkeit einen Einsatz der LED-Konverteranordnung auch in einem Notlichtbetrieb ermöglichen. Zudem können ohne Dimmfähigkeit bestimmte, das Behagen des Nutzers positiv beeinflussende Lichtstimmungen nicht erzeugt werden.
Unter Dimmstufen werden unterschiedliche Helligkeitsstufen eines Leuchtmittels, insbesondere mit zumindest einer LED, verstanden, welche sich bei einer Ansteuerung des Leuchtmittels mit unterschiedlich hoher Leistungszufuhr pro Zeiteinheit ergeben.
Das Regelglied kann als ein integrierendes Regelglied ausgebildet sein. Vorteilhaft kann ein integrierendes Regelglied (d.h. ein I-Regler) die Regelabweichung voll- ständig eliminieren.
Das Linearisierungsglied kann eine Inversfunktion für eine die zumindest eine LED umfas- sende Regelstrecke der LED-Konverteranordnung aufweisen, wobei die Inversfunktion es erlaubt, das Regelglied in einer jeden der Vielzahl von Dimmstufen für jede vorgegebene elektrische Speisungsgröße der zumindest einen LED mit einem konstanten Reglerbeiwert zu betreiben.
Insbesondere ermöglicht dies eine Linearisierung einer durch einen Lückbetrieb des LED- Konverters mit verursachten Nichtlinearität im Regelkreis des LED-Konverters.
Vorteilhaft ermöglicht eine derartige Linearisierung eine einheitliche und analytische Ana- lyse des Übertragungsverhaltens des zugrundeliegenden Regelkreises.
Vorteilhaft ist ein solches Linearisierungsglied bei Herstellung oder auch bei Erstinbetrieb- nahme der LED-Konverteranordnung vorkonfigurierbar, sodass keine nennenswerten Ver- zögerungszeiten für eine reguläre Inbetriebnahme in einem Wirkbetrieb anfallen.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Inversfunktion in der jeweiligen der Vielzahl von Dimmstufen mit einer Festkomma-Arithmetik auszuwerten, wobei ein Absolut- fehler zwischen der Festkomma-Arithmetik und einer entsprechenden Fließkomma-Arithmetik geringer ist als eine vorgegebene Fehlertoleranzschwelle.
Vorteilhaft sind in diesem Fall Steuereinrichtungen einsetzbar, welche aus Kosten- und/oder Rechenleistungs- und somit Zeitgründen keine prinzipiell empfehlens- und wünschenswerte dedizierte Fließkomma-Arithmetik aufweisen und diese durch Festkomma-Arithmetik emulieren. Die dafür erforderlichen integrierten Schaltungen sind prinzipiell einfacher aufgebaut und kostengünstiger bereitstellbar.
Die Erfassungsmittel können einen Messwiderstand umfassen.
Vorteilhaft ist ein Messwiderstand ein sehr kostengünstiges analoges Schaltungselement. Die Schaltmittel können einen Transistor umfassen.
Vorteilhaft ist ein Transistor ein sehr kostengünstiges, präzise schaltbares und auf eine jeweilige Anwendung hin optimiert auswählbares analoges Schaltungselement. Die LED-Konverteranordnung kann als ein Abwärtswandler ausgebildet sein.
Vorteilhaft weist ein Abwärtswandler eine sehr einfache und kostengünstige Schaltungsar- chitektur auf, welche in vielen Fällen eine herkömmliche längsgeregelte Spannungsstabili- sierung ersetzen kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst ein Betriebsgerät zum Betreiben zumindest einer LED: eine LED-Konverteranordnung gemäß Ausführungsbeispielen.
Vorteilhaft sind die oben genannten Vorrichtungsmerkmale der LED-Konverteranordnung mit ihren jeweiligen Vorteilen in dem Betriebsgerät analog nutzbar.
Unter einem Betriebsgerät kann eine elektronische Schaltung und/oder Baugruppe verstan- den werden, welche dazu eingerichtet ist, die zumindest eine LED aus einer elektrischen Energiequelle zu speisen, welche per se nicht dazu eingerichtet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt umfasst eine Beleuchtungseinrichtung: ein Betriebsgerät gemäß Ausführungsbeispielen; und zumindest eine LED.
Vorteilhaft sind die oben genannten Vorrichtungsmerkmale der LED-Konverteranordnung bzw. des Betriebsgeräts mit ihren jeweiligen Vorteilen in der Beleuchtungseinrichtung analog nutzbar.
Gemäß einem vierten Aspekt umfasst ein Verfahren zum Betreiben zumindest einer LED: Erfassen einer elektrischen Speisungsgröße der zumindest einen LED; und Ansteuern von als Stellglied dienenden Schaltmitteln der LED-Konverteranordnung in Abhängigkeit von der erfassten elektrischen Speisungsgröße und einer vorgegebenen elektrischen Speisungsgröße der zumindest einen LED. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, ein Regelglied der Steuereinrichtung für jede vorgegebene elektrische Speisungsgröße der zumindest einen LED mit einem konstanten Reglerbeiwert zu betreiben.
Das Verfahren kann mit einer LED-Konverteranordnung gemäß Ausführungsbeispielen durchführbar sein.
Das Verfahren umfasst die jeweiligen korrespondierenden Merkmale der LED- Konverteranordnung.
Vorteilhaft sind die oben genannten Vorrichtungsmerkmale der LED-Konverteranordnung mit ihren jeweiligen Vorteilen in dem Verfahren analog nutzbar. KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen kurz erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine bekannte LED-Konverteranordnung.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Regelkreis für eine LED-Konverteranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Betriebsgerät mit der LED-Konverteranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel und eine Beleuchtungseinrichtung mit dem Betriebsgerät.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betreiben der LED-Konverteranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFUHRUNGSBEISPIELEN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezug- nahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen in spezifischen Anwendungsfeldern bedeu- tet keine Einschränkung auf diese Anwendungsfelder.
Elemente schematischer Darstellungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu wie- dergegeben, sondern vielmehr derart, dass ihre Funktion und ihr Zweck dem Fachmann verständlich werden.
Soweit nicht ausdrücklich anders angegeben sind die Merkmale der verschiedenen Ausfüh- rungsformen miteinander kombinierbar.
Fig. 1 zeigt schematisch eine bekannte LED-Konverteranordnung 10, welche als ein Abwärtswandler ausgebildet ist. Diese beispielhafte LED-Konverteranordnung 10 dient zum Betreiben zumindest einer last- seitig anschließbaren LED 41.
Zu diesem Zweck ist die LED-Konverteranordnung 10 dazu eingerichtet, eine versorgungs- seitig zugeführte elektrische Leistung mittels zumindest eines Energiespeichers 11 , 12 und zumindest eines Schaltmittels 13A, 13B umzuspannen, wobei über eine pulsweitenmodu- lierte Ansteuerung 14A, 14B des zumindest einen Schaltmittels 13A, 13B ein Leistungsfluss durch den Energiespeicher 1 1 , 12 steuerbar ist.
Als Schaltmittel 13A, 13B umfasst die LED-Konverteranordnung 10 in einem Gegentakt anzusteuernde Transistoren. Auf diese Weise wird aus der versorgungsseitig zuführbaren elektrischen Leistung eine Rechteckspannung mit einem bestimmten Tastverhältnis erzeugt.
Als Energiespeicher 11 , 12 umfasst die LED-Konverteranordnung 10 eine Induktivität 1 1 und eine Filterkapazität 12, welche zusammen einen LC-Tiefpass bilden, welcher die durch die Schaltmittel 13A, 13B aus der versorgungsseitig zugeführten Spannung erzeugte Rechteckspannung mittelt.
Daraus resultiert eine elektrische Speisungsgröße 16, im Beispielfall eine mittlere LED- Stromstärke 16, welche die Regelgröße des unten näher ausgeführten Regelkreises 30 darstellt.
Ganz allgemein ist die LED-Konverteranordnung 10 derart ausgebildet, dass mittlere Stromstärken durch die zumindest eine LED 41 als elektrische Ist-Speisungsgröße 16, erfasste elektrische Ist-Speisungsgröße 18 bzw. elektrische Soll-Speisungsgröße 19 der zumindest einen LED 41 dienen.
Die LED-Konverteranordnung 10 umfasst ferner Erfassungsmittel 17 zum Erfassen der elektrischen Speisungsgröße 16 der zumindest einen LED 41. In Fig. 1 umfassen die Erfassungsmittel 17 einen Messwiderstand, welcher dazu dient, eine von der mittleren LED- Stromstärke 16 abgeleitete, erfasste elektrische Größe 18 zu liefern, welche die Rückführgröße des unten näher ausgeführten Regelkreises 30 darstellt.
Konkret fließt die zu erfassende mittlere LED-Stromstärke 16 durch den Messwiderstand, und führt infolgedessen zu einer erfassten elektrischen Speisungsgröße 18 in Form einer an dem Messwiderstand abfallenden Spannung gegen Masse, welche proportional zu der zu erfassenden mittleren LED-Stromstärke 16 ist. Die LED-Konverteranordnung 10 umfasst zudem eine Steuereinrichtung 15, welche nach- folgend in Verbindung mit Fig. 2 näher ausgeführt wird.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Regelkreis 30 für eine LED-Konverteranordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die dabei auszuregelnde Regelstrecke umfasst neben einem Glied, welches die Nichtlinearität der zumindest einen LED 41 in einem Lückbetrieb ausdrückt, ein Linearisierungsglied 21 .
Die aus dem Regelkreis 30 ebenfalls ersichtliche Steuereinrichtung 15 dient zum Ansteuern der als Stellglied dienenden Schaltmittel 13A, 13B der LED-Konverteranordnung 10 in Ab- hängigkeit von der erfassten elektrischen Speisungsgröße 18 (Rückführgröße, welche den Istwert der Regelgröße umfasst) und einer vorgegebenen elektrischen Speisungsgröße 19 (Sollwert der Regelgröße) der zumindest einen LED 41.
Das Ansteuern des Stellglieds erfolgt in einem Lückbetrieb mit einer Totzeit TDEAD, welche insbesondere von einem Tastverhältnis und einer Periodendauer des pulsweitenmodulier- ten Ansteuersignals 14A abhängt und die Stellgröße des Regelkreises 30 darstellt.
Die Steuereinrichtung 15 ist ferner dazu eingerichtet, die zumindest eine LED 41 in einer Vielzahl von Dimmstufen mit einer jeweiligen zugehörigen Spitzenstromstärke lp der Induk- tivität 1 1 zu betreiben.
Die elektrische Speisungsgröße 16 der zumindest einen LED 41 wird somit bestimmt durch
- eine versorgungsseitig zugeführte Spannung gegen Masse,
- ein aufgrund einer gewünschten Dimmstufe vorgegebenes Tastverhältnis des puls- weitenmodulierten Ansteuersignals 14A, welches das Tastverhältnis der Rechteck- spannung bestimmt,
- eine Dimensionierung der Induktivität 1 1 , an welcher sich durch Anlegen der Recht- eckspannung ein Stromfluss mit einer entsprechenden Spitzenstromstärke lp ein- stellt,
- eine aufgrund des Lückbetriebs vorgegebene Periodendauer des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals 14A, welche zusammen mit dem vorgegebenen Tastverhält- nis desselben Signals die Totzeit TDEAD (Stellgröße) zwischen aufeinanderfolgenden Stromflüssen bestimmt, und
- eine Dimensionierung der Filterkapazität 12 zur Glättung der sich durch die Indukti- vität 11 einstellenden Stromstärke. Die Steuereinrichtung 15 umfasst ein Regelglied 20, welches insbesondere als ein integrie- rendes Regelglied ausgebildet ist. Ein integrierendes Regelglied wirkt durch zeitliche In- tegration der Regelabweichung auf die Stellgröße mit einer Gewichtung durch den Reg- lerbeiwert Ki = 1/TN (mit Nachstellzeit TN). Der integrierende Regler weist im Frequenzbe- reich eine Übertragungsfunktion G(s) auf von:
G(s) = Ki / s.
Die Regelstrecke kann ganz allgemein durch die Regelgröße als Funktion f der Stellgröße beschrieben werden. Für den Regelkreis 30 aus Fig. 2 mit der zugrundeliegenden LED- Konverteranordnung 10 aus Fig. 1 bedeutet das, dass sich der mittlere LED-Strom 16 als Funktion der Totzeit TDEAD des Lückbetriebs ergibt:
IAVG = f{ T DEAD)
Eine Grenzfrequenz fc des geschlossenen Regelkreises 30 ist ganz allgemein von dem Reglerbeiwert Ki und von einer Steigung der die Regelstrecke beschreibenden Funktion f abhängig. Aufgrund der Nichtlinearität der Funktion f wäre daher eine Linearisierung der Funktion f an jedem zulässigen Wert für die Stellgröße TDEAD vorzunehmen. Um die Grenzfrequenz fc jedoch konstant, und damit das Zeitverhalten des Regelkreises 30 für jeden zulässigen Wert der Regelgröße IAVG konstant zu halten, müsste der Reglerbeiwert daher eine Funktion der Regelgröße IAVG sein.
Um dies zu vermeiden, umfasst die Steuereinrichtung 15 auch das Linearisierungsglied 21 , welches dazu eingerichtet ist, das Regelglied 20 für jede vorgegebene elektrische Spei- sungsgröße 19 der zumindest einen LED 41 , d.h. für jeden mittleren LED-Sollstrom IAVG, mit einem konstanten Reglerbeiwert Ki zu betreiben.
Das Linearisierungsglied 21 weist hierzu eine Invers- oder Umkehrfunktion f1 auf, welche die Stellgröße als Funktion der Regelgröße beschreibt:
TDEAD= f1( IAVG)
Durch Verkettung der in dem Linearisierungsglied 21 implementierten Umkehrfunktion f·1 und der die Regelstrecke beschreibenden Funktion f wird jeder Wert der Regelgröße IAVG auf sich selbst abgebildet:
/(^(IAVG)) = IAVG Aufgrund einer Abhängigkeit der Inversfunktion 1 von der Spitzenstromstärke lp, d.h. vom der vorgegebenen Dimmstufe, erfolgt stets eine optimale Linearisierung der Regelstrecke für jede Spitzenstromstärke lp.
Die Inversfunktion erlaubt es daher, das Regelglied 20 in der jeweiligen der Vielzahl von Dimmstufen für jede vorgegebene elektrische Speisungsgröße 19 der zumindest einen LED 41 mit einem konstanten Reglerbeiwert Ki zu betreiben.
Die Steuereinrichtung 15 ist dazu eingerichtet, die Inversfunktion in der jeweiligen der Vielzahl von Dimmstufen mit einer Festkomma-Arithmetik auszuwerten, wobei ein Absolutfehler zwischen der Festkomma-Arithmetik und einer entsprechenden Fließkomma-Arithmetik ge- ringer ist als eine vorgegebene Fehlertoleranzschwelle.
Insbesondere ist eine genauere Linearisierung erzielbar, sofern die Spitzenstromstärke lp in der Inversfunktion f1 über die Dimmstufen veränderbar ist. Alternativ dazu ist es möglich, die Spitzenstromstärke lp in der Inversfunktion konstant zu halten, etwa bei einem Maximal- wert der Spitzenstromstärke lp.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Betriebsgerät 40 mit der LED-Konverteranordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel und eine Beleuchtungseinrichtung 50 mit dem Betriebsgerät 40.
Das Betriebsgerät 40 zum Betreiben zumindest einer LED 41 umfasst eine LED- Konverteranordnung 10 und ggf. weitere Funktionselemente wie beispielsweise Gleichrichter, eine Hilfswicklung für eine Niedervolt-Stromversorgung usw.
Die Beleuchtungseinrichtung 50 umfasst ein solches Betriebsgerät 40 gemäß Ausführungsbeispielen und die zumindest eine LED 41 , und eignet sich insbesondere für„point-of-load“- Energieversorgungsarchitekturen.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Verfahren 60 zum Betreiben der LED-Konverteranordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das Verfahren 60 kann mit einer LED-Konverteranordnung 10 gemäß Ausführungsbeispielen durchgeführt werden und dient zum Betreiben zumindest einer LED 41 mit einer LED- Konverteranordnung 10, welche wie beispielsweise in Fig. 1 ausgebildet ist und welche in einen Regelkreis 30 wie beispielsweise in Fig. 2 einbezogen ist. Das Verfahren 60 umfasst: ein Erfassen 61 einer elektrischen Speisungsgröße 16 der zu- mindest einen LED 41 ; und ein Ansteuern 61 von als Stellglied dienenden Schaltmitteln 13A, 13B der LED-Konverteranordnung 10 in Abhängigkeit von der erfassten elektrischen Spei- sungsgröße 18 und einer vorgegebenen elektrischen Speisungsgröße 19 der zumindest ei- nen LED 41. Dabei ist die Steuereinrichtung 15 dazu eingerichtet, ein Regelglied 20 der Steuereinrichtung 15 für jede vorgegebene elektrische Speisungsgröße 19 der zumindest einen LED 41 mit einem konstanten Reglerbeiwert Ki zu betreiben.
Zwar wurden LED-Konverteranordnungen gemäß Ausführungsbeispielen beschrieben, je- doch können diverse Abwandlungen in anderen Ausführungsbeispielen verwirklicht werden. Beispielsweise sind die erfindungswesentlichen Merkmale in jeglicher LED- Konverteranordnung anwendbar, bei welcher eine Stellgröße gesetzt und eine Regelgröße langsam nachgeregelt werden kann.

Claims

Schutzansprüche
1. LED-Konverteranordnung (10) zum Betreiben zumindest einer LED (41 ), umfassend
Erfassungsmittel (17) zum Erfassen einer elektrischen Speisungsgröße (16) der zu- mindest einen LED (41 ), und
eine Steuereinrichtung (15) zum Ansteuern von als Stellglied dienenden Schaltmitteln (13A, 13B) der LED-Konverteranordnung (10) in Abhängigkeit von der erfassten elektrischen Speisungsgröße (18) und einer vorgegebenen elektrischen Speisungsgröße (19) der zumindest einen LED (41 ),
wobei die Steuereinrichtung (15) ein Regelglied (20) und ein Linearisierungsglied (21 ) umfasst, welches dazu eingerichtet ist, das Regelglied (20) für jede vorgegebene elektrische Speisungsgröße (19) der zumindest einen LED (41 ) mit einem konstanten Reglerbeiwert (Ki) zu betreiben.
2. LED-Konverteranordnung (10) gemäß Anspruch 1 , wobei
die LED-Konverteranordnung (10) derart ausgebildet ist, dass mittlere Stromstärken durch die zumindest eine LED (41 ) als elektrische Speisungsgrößen (16, 18, 19) der zumin- dest einen LED dienen.
3. LED-Konverteranordnung (10) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei
die Steuereinrichtung (15) dazu eingerichtet ist, als Stellglied dienende Schaltmittel (13A, 13B) der LED-Konverteranordnung (10) in einem Lückbetrieb anzusteuern.
4. LED-Konverteranordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (15) dazu eingerichtet ist, die zumindest eine LED (41 ) in einer Vielzahl von Dimmstufen mit einer jeweiligen zugehörigen Spitzenstromstärke (lp) einer Induktivität (1 1 ) der LED-Konverteranordnung (10) zu betreiben.
5. LED-Konverteranordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Regelglied (20) als ein integrierendes Regelglied ausgebildet ist.
6. LED-Konverteranordnung (10) gemäß Anspruch 5, wobei
das Linearisierungsglied (21 ) eine Inversfunktion für eine die zumindest eine LED (41 ) umfassende Regelstrecke der LED-Konverteranordnung (10) aufweist, wobei die Inversfunktion es erlaubt, das Regelglied (20) in einer jeden der Vielzahl von Dimmstufen für jede vorgegebene elektrische Speisungsgröße (19) der zumindest einen LED (41 ) mit einem konstanten Reglerbeiwert (Ki) zu betreiben.
7. LED-Konverteranordnung (10) gemäß Anspruch 6, wobei
die Steuereinrichtung (15) dazu eingerichtet ist, die Inversfunktion in der jeweiligen der Vielzahl von Dimmstufen mit einer Festkomma-Arithmetik auszuwerten, wobei ein Ab- solutfehler zwischen der Festkomma-Arithmetik und einer entsprechenden Fließkomma- Arithmetik geringer ist als eine vorgegebene Fehlertoleranzschwelle.
8. LED-Konverteranordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassungsmittel (17) einen Messwiderstand umfassen.
9. LED-Konverteranordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltmittel (13A, 13B) einen Transistor umfassen.
10. LED-Konverteranordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LED-Konverteranordnung (10) als ein Abwärtswandler ausgebildet ist.
11. Betriebsgerät (40) zum Betreiben zumindest einer LED (41 ), umfassend
eine LED-Konverteranordnung (10) gemäß einem jeden der Ansprüche 1 - 10.
12. Beleuchtungseinrichtung (50), umfassend
ein Betriebsgerät (40) gemäß Anspruch 11 ; und
zumindest eine LED (41).
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