AT508195B1 - Betriebsschaltung für leuchtdioden - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT508195B1 2012-03-15

Beschreibung

BETRIEBSSCHALTUNG FÜR LEUCHTDIODEN

[0001] Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung mit Leuchtdioden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben von Leuchtdioden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

TECHNISCHES GEBIET

[0002] Halbleiterlichtquellen wie beispielsweise Leuchtdioden sind während der letzten Jahre für Beleuchtungsanwendungen zunehmend interessant geworden. Der Grund dafür liegt unter anderem darin, dass entscheidende technische Innovationen und große Fortschritte sowohl bei der Helligkeit als auch bei der Lichteffizienz (Lichtleistung pro Watt) dieser Lichtquellen erzielt werden konnten. Nicht zuletzt durch die vergleichsweise lange Lebensdauer konnten sich Leuchtdioden zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichen Lichtquellen wie Glüh- oder Gasentladungslampen entwickeln.

[0003] Halbleiterlichtquellen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und werden im folgenden als LED (light-emitting-diode) abgekürzt. Dieser Begriff soll im folgenden sowohl Leuchtdioden aus anorganischen Materialien als auch Leuchtdioden aus organischen Materialien umfassen. Es ist bekannt, dass die Lichtabstrahlung von LEDs mit dem Stromfluss durch die LEDs korreliert. Zur Helligkeitsregelung werden LEDs daher grundsätzlich in einem Modus betrieben, in dem der Stromfluss durch die LED geregelt wird.

[0004] In der Praxis werden zur Ansteuerung einer Anordnung von einer oder mehrerer LEDs vorzugsweise Schaltregler, beispielsweise Tiefsetzsteller (Step-Down oder Buck Converter) verwendet. Ein solcher Schaltregler ist beispielsweise aus der DE 10 2006 034 371 A1 bekannt. Dabei steuert eine Steuereinheit einen hochfrequent getakteten Schalter (beispielsweise einen Leistungstransistor) an. Im eingeschalteten Zustand des Schalters fließt Strom über die LED Anordnung und eine Spule, die dadurch aufgeladen wird. Die zwischengespeicherte Energie der Spule entlädt sich im ausgeschalteten Zustand des Schalters über die LEDs (Freilaufphase).

[0005] Der zeitliche Mittelwert des LED-stroms stellt den Effektivstrom durch die LED-anordnung dar und ist ein Maß für die Helligkeit der LEDs. Durch entsprechende Taktung des Leistungsschalters kann der mittlere, effektive Strom geregelt werden.

[0006] Die Funktion des Betriebsgeräts ist nun, einen gewünschten mittleren Stromfluss durch die LEDs einzustellen und die zeitliche Schwankungsbreite des Stroms, bedingt durch das hochfrequente Ein- und Abschalten des Schalters (tpyischerweise im Bereich oberhalb von 10 kHz), möglichst gering zu halten. Eine große Schwankungsbreite des Stroms (Welligkeit oder Rippel) wirkt sich besonders bei LEDs nachteilig aus, da mit Veränderung der Stromamplitude sich das Spektrum des emittierten Lichts verändern kann.

[0007] Um das emittierte Lichtspektrum während des Betriebs möglichst konstant zu halten, ist es bekannt, bei LEDs für Helligkeitsregelungen nicht die Stromamplitude zu variieren, sondern ein sogenanntes PWM (pulse-width-modulation) - Verfahren anzuwenden. Dabei werden den LEDs durch das Betriebsgerät niederfrequente (typischerweise mit einer Frequenz im Bereich von 100-1000 Hz) Pulspakete mit (im zeitlichen Mittel) konstanter Stromamplitude zugeführt. Dem Strom innerhalb eines Pulspakets ist der oben angeführter hochfrequente Rippel überlagert. Die Helligkeit der LEDs kann nun durch die Frequenz der Pulspakete gesteuert werden; die LEDs können beispielsweise gedimmt werden, indem der zeitliche Abstand zwischen den Pulspaketen vergrößert wird.

[0008] Eine praktische Anforderung an das Betriebsgerät ist, dass es möglichst flexibel und vielseitig eingesetzt werden kann, beispielsweise unabhängig davon, wie viele LEDs als Last tatsächlich angeschlossen sind und betrieben werden sollen. Die Last kann sich zudem wäh- 1/15 österreichisches Patentamt AT508 195B1 2012-03-15 rend des Betriebs ändern, wenn beispielsweise eine LED ausfällt. Bei herkömmlichen Technologien werden die LEDs in einem sogenannten 'continuous conduction mode' betrieben. Dieses Verfahren sei anhand von Figur 1a und Figur 1b näher erläutert (Stand der Technik). Im in Figur 1a gezeigten Beispiel ist als Grundschaltung ein Buck-Converter für den Betrieb zumindest einer LED (oder mehrerer in Serie geschalteten LEDs) dargestellt, die einen Schalter S1 aufweist. Die Betriebsschaltung wird mit einer Gleichspannung bzw einer gleichgerichteten Wechselspannung UO versorgt.

[0009] Im eingeschalteten Zustand des Schalters S1 (während der Zeitdauer t_on) wird in der Spule L1 Energie aufgebaut, die sich im ausgeschalteten Zustand des Schalters S1 (Zeitdauer t_off) über zumindest eine LED entlädt. Der sich ergebende zeitliche Stromverlauf ist in Figur 1b abgebildet (Stand der Technik). Dabei sind zwei Pulspakte des PWM dargestellt. Der Stromverlauf innerhalb eines Pulspakets ist zudem 5 vergrößert dargestellt. Aus Gründen der Farbkon-stanz soll innerhalb eines Pulspakets die Amplitude des Rippels möglichst gering sein. Dies kann durch geeignete Wahl des Einschaltzeitpunkts tO und Ausschaltzeitpunkts t1 erfolgen. So können diese Zeitpunkte beispielsweise so gewählt werden, dass der Schalter S1 eingeschaltet wird, wenn der Strom eine bestimmten minimalen Referenzwert unterschreitet und der Schalter ausgeschaltet wird, wenn der Strom einen maximalen Referenzwert überschreitet. Dieses Verfahren hat aber mehrere Nachteile: Zum einen, um einen möglichst geringen Rippel zu erzielen, ist eine rasche Abfolge von Ein- und Auschaltvorgängen notwendig. Die Steigung (positive bzw negative Flanke) des Stroms ist nämlich nicht vom Betriebsgerät steuerbar und als gegeben zu betrachten, da sie u.a. durch die Induktivität der Spule L1 und durch die Leistungsaufnahme der LEDs bestimmt ist. Um die Welligkeit (Rippel) zu reduzieren, müssten innerhalb eines Zeitabschnitts mehr Schaltvorgänge stattfinden, was naturgemäß Schaltverluste mit sich zieht. Zum anderen sind diese Schaltverluste im continuous conduction mode besonders hoch. Ein realer Halbleiterschalter schaltet zwar sehr rasch, er schaltet 20 aber nicht unendlich schnell.

[0010] Die beim Schaltvorgang dissipierte Energie ist umso größer, je länger der Schaltvorgang dauert und je höher die Leistung ist, die während dem Schaltvorgang am Schalter anliegt. Im .continuous conduction mode' sind nun die Schaltverluste 25 besonders hoch, da die Schaltvorgänge stattfinden, während hohe Ströme anliegen.

[0011] Aus der DE 10119491 A1 ist es bereits bekannt, eine LED mittels eines Hochsetzstellers zu speisen. Der Hochsetzsteller weist dabei eine Spule mit einer Sekundärwicklung zur Erkennung der Entmagnetisierung der Spule am Ende der Ausschaltphase des Schalters des Hochsetzstellers auf. Der Strom durch die LED wird durch eine direkte Messung mittels eines Widerstandes erfasst.

[0012] Die WO 2007/049198 A1 und die EP 0948241 A2 zeigen jeweils einen Schaltregler zur Speisung einer LED. Der Schaltregler weist dabei eine Spule auf und ein Erfassungselement zur Erkennung der Entmagnetisierung der Spule am Ende der Ausschaltphase des Schalters des Hochsetzstellers auf. Der Strom durch die LED ist aber aufgrund der gezeigten Betriebsweise ein diskontinuierlicher Strom, wodurch es Schwankungen bei der Farbstabilität der LED geben kann. Eine Erfassung der Amplitude des Stromes durch die LED während der Entmagnetisierungsphase ist nicht vorgesehen.

[0013] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Betriebsschaltung für wenigstens eine LED und ein Verfahren zum Betrieb wenigstens einer LED bereitzustellen, welche auf einfache Art und Weise die Konstanthaltung des Stroms und somit der LED-Ieistung ermöglicht.

[0014] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.

[0015] Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der Betriebsschaltung für wenigstens eine LED eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt. Erfindungsgemäß wird mittels einer Spule und einem durch eine Steuer/Regeleinheit getakteten Schalter 2/15 österreichisches Patentamt AT508 195 B1 2012-03-15 eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter in der Spule eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter über eine Diode und über wenigstens eine LED entlädt.

[0016] Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wählt die Steuer/Regeleinheit den Einschaltzeitpunkt und den Ausschaltzeitpunkt des Schalters so, dass der Stromfluss durch die wenigstens eine LED einen möglichst geringen Rippel aufweist.

[0017] Die erfindungsgemäße Betriebsschaltung treibt wenigstens eine LED, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, und die mittels einer Spule und einem durch eine Steuereinheit getakteten Schalter eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter in der Spule eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter über wenigstens eine LED entlädt, wobei in Serie zu der LED ein Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung angeordnet ist, und ein Strommeßglied in Serie zu der Sekundärwicklung angeordnet ist, so dass ein Sekundärkreis gebildet wird, wobei in die Sekundärwicklung ein definierter Strom eingespeist wird und zumindest eine Messung auf der Sekundärseite erfolgt.

[0018] Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben von wenigstens einer LED mittels einer Schaltreglerschaltung ermöglicht, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird und die mittels einer Spule und einem durch eine Steuer/Regeleinheit getakteten Schalter eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter in der Spule eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter über eine Diode und über wenigstens eine LED entlädt, und der Strom durch die LED durch ein erstes Energiespeicherelement fließt, welches mit einem zweiten Energiespeicherelement gekoppelt ist, und das erste Energiespeicherelement aufgrund des Stromes durch die LED seine maximale Energiespeicherfähigkeit zumindest erreicht, wobei in das zweite Energiespeicherelement ein ansteigender Strom gespeist wird, so dass der Zeitpunkt erkannt werden kann, zu dem das erste Energiespeicherelement aufgrund des Stromes durch das zweite Energiespeicherelement wieder eine Energiespeicherfähigkeit erlangt.

[0019] In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Betriebsschaltung eine zweite Sensoreinheit auf, die ein Sensorsignal erzeugt und den Strom durch die LED überwacht. Erfindungsgemäß verwendet die Steuereinheit ein Signal der zweiten Sensoreinheit oder eine Kombination mit dem Signal der optionalen ersten Sensoreinheit zur Festlegung des Ein- und Ausschaltzeitpunkts des Schalters.

[0020] Erfindungsgemäß schaltet das Steuer/Regeleinheit den Schalter aus, wenn der Strom durch die LED einen maximalen Referenzwert überschreitet und schaltet zu dem Zeitpunkt wieder ein, wenn der Strom durch die LED einen minimalen Referenzwert unterschreitet.

[0021] In einer Ausführungsform der Erfindung wird die zweite Sensoreinheit durch zwei miteinander gekoppelte Energiespeicherelemente gebildet, beispielsweise durch einen Transformator oder einen Hallsensor.

[0022] In einer möglichen Ausführungsform weist die Betriebsschaltung einen Kondensator auf, der parallel zu der wenigstens eine LED angeordnet ist, und der während der Phase der Entmagnetisierung der Spule den Strom durch die LED aufrecht erhält, sodass der Strom durch die LEDs geglättet wird.

[0023] Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

[0024] Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

[0025] Figur 1a zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß dem bekannten Stand der Technik, [0026] Figur 1b zeigt ein Diagram mit dem zeitlichen Verlauf des LEDstroms in 3/15

österreichisches Patentamt [0027] Figur 2a [0028] Figur 2b AT508 195B1 2012-03-15 der Schaltungsanordnung von Figur 1a (Stand der Technik). zeigt ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Betriebsschaltung (Buck) für LEDs. zeigt ein Diagram, das zeitabhängige Stromverläufe und Steuersignale in der in Fig. 2a dargestellten Schaltungsanordnung darstellt.

[0029] Figur 3a und Figur 3b zeigen spezielle Ausführungsformen der Erfindung.

[0030] Figur 4 [0031] Figur 5 [0032] Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung (Buck-Boost). zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur LED Strommessung [0033] Figur 1a und Figur 1b zeigen den Stand der Technik.

[0034] Die in Figur 2a dargestellte Schaltungsanordnung dient zum Betrieb von wenigstens einer (oder mehrerer in Serie geschaltenen) LED. Im dargestellten Beispiel sind beispielsweise zwei LEDs in Serie geschaltet, es können natürlich nur eine oder auch mehrere LEDs sein. Die LED bzw die seriell geschaltenen LEDs werden im Folgenden auch LED-strecke genannt. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sich die Betriebsschaltung sehr flexibel an die Art und Anzahl der seriell verbundenen LEDs anpasst. Der Schaltung wird eine Gleichspannung U0 zugeführt, die natürlich auch eine gleichgerichtete Wechselspannung sein kann. Die LEDs sind in Serie mit einer Spule L1 und einem Schalter S1 verbunden. Zudem weist die Schaltungsanordnung eine Diode D1 (die Diode D1 und die Spule L1 sind parallel zu den LEDs geschaltet) und optional einen zu den LEDs parallel geschalteten Kondensator C1 auf. Im eingeschalteten Zustand des Schalters S1 fließt Strom durch die LEDs und durch die Spule L1, die dadurch magnetisiert wird. Im ausgeschaltenen Zustand des Schalters S1 entlädt sich die im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie in Form eines Stroms über die Diode D1 und die LEDs. Parallel dazu wird am Beginn des Einschaltens des Schalters S1 der Kondensator C1 geladen. Während der Ausschaltphase des Schalters S1 (Freilaufphase) entlädt sich der Kondensator C1 und trägt zum Stromfluss durch die LED-strecke bei. Bei geeigneter Dimensionierung des optionalen Kondensators C1 kann dies zu einer Glättung des Stroms durch die LEDs führen.

[0035] Als Schalter S1 wird vorzugsweise ein Feldeffekttransistor verwendet. Der Schalter S1 wird hochfrequent geschaltet, typischerweise in einem Frequenzbereich von über 10 kHz.

[0036] Gemäß der Erfindung kann der Strom durch die LED gemessen werden und somit auf einem vorgegebenen Wert bzw. in einem vorgegebenen Wertebereich gehalten werden.

[0037] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Schalter S1 im Betrieb geschont werden kann, da er, wie später ausgeführt, dann eingeschaltet werden kann, wenn die an ihm anliegende Leistung nahezu null ist. Beim Stand der Technik dagegen, wo die Schaltvorgänge unter hoher Leistung ablaufen, muss für den Schalter S1 ein hochwertiges Bauelement mit sehr kurzer Schaltdauer eingesetzt werden, um die Schaltverluste in einem tolerierbaren Rahmen zu halten. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung ist, dass für den Schalter S1 und die Diode D1 durchaus auch ein vergleichsweise billigeres Bauelement mit vergleichsweise etwas längerer Schaltdauer oder längerer Ausräumzeit eingesetzt werden kann.

[0038] In der Schaltung von Figur 2a ist weiters eine Steuer- und/oder Regeleinheit SR vorgesehen, die zur Regelung der LED-Ieistung die Taktung des Schalters S1 vorgibt. Die Steu-er/Regeleinheit SR verwendet zur Festlegung des genauen Einschalt- und Ausgangszeitpunkts des Schalters S1 als Eingangsgrößen Signale von einer optionalen ersten Sensoreinheit SE1 und zumindest Signale von einer zweiten Sensoreinheit SE2.

[0039] Die zweite Sensoreinheit SE2 ist innerhalb des Stromzweiges, der während der Freilaufphase vom Strom durchflossen wird, angeordnet, vorzugsweise in Serie zur LED oder alternativ auch in der Serie zu der Spule L1 (als SE2' gekennzeichnet). Mit Hilfe der zweiten Sensorein- 4/15 österreichisches Patentamt AT508 195 B1 2012-03-15 heit SE2 kann die Steuereinheit/Regeleinheit SR einen geeigneten Zeitpunkt für den Einschaltzeitpunkt des Schalters S1 und optional auch den geeigneten Zeitpunkt für den Ausschaltzeitpunkt des Schalters S1 festlegen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Schalter S1 eingeschaltet, wenn der Strom durch die LED einen bestimmten Wert unterschreitet, und der Schalter S1 wird ausgeschaltet, wenn der Strom durch die LED einen bestimmten Wert überschreitet.

[0040] Gemäß der Erfindung kann der Schalter S1 aber auch dann eingeschaltet werden, wenn der Strom durch die Spule L1, unmittelbar nachdem die Diode D1 in der Freilaufphase sperrt, zum ersten Mal null ist oder zumindest sehr gering ist.

[0041] Erfindungsgemäß liegt zum Einschaltzeitpunkt des Schalters S1 ein möglichst geringer Strom am Schalter S1 an. Durch Erkennen des Stromnulldurchgangs durch die Spule wird ein nahezu verlustfreies Schalten ermöglicht. Gemäß der Erfindung zeigt der Strom durch die LEDs nur geringe Welligkeit und schwankt nicht stark. Dies ist auf die glättende Wirkung des zu den LEDs parallel geschalteten Kondensators C1 zurückzuführen.

[0042] Die einzelnen Stromverläufe und der optimale Einschaltzeitpunkt des Schalters S1 sollen nunmehr näher erläutert werden.

[0043] Zum Zeitpunkt t_0 wird der Schalter S1 geschlossen und es beginnt ein Strom durch die LED und die Spule L1 zu fliessen. Der Strom i_L zeigt einen Anstieg gemäß einer Exponentialfunktion, wobei im hier interessierenden Bereich ein quasi-linearer Anstieg des Stroms iLED und i_L erfolgt. iLED unterscheidet sich von i_L dadurch, dass ein Teil des Stroms i_L zur Ladung des Kondensators C1 beiträgt. Das Öffnen des Schalters S1 zum Zeitpunkt t_1 (beispielsweise wenn ein gewünschter maximaler Referenzwert erreicht ist) hat zur Folge, dass sich die im Magnetfeld der Spule L1 gespeicherte Energie über die Diode D1 und die LEDs bzw. den Kondensator C1 entlädt. Der Strom i_L fließt in die gleiche Richtung weiter, nimmt aber kontinuierlich ab und kann sogar einen negativen Wert erreichen.

[0044] Gemäß der Erfindung wird der Schalter S1 bereits wieder eingeschaltet, wenn der Strom iLED durch die LED einen gewünschten minimalen Referenzwert unterschritten hat, wobei dieser gewünschte minimale Referenzwert gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nur relativ knapp unterhalb des gewünschten maximalen Referenzwerts (der das Ausschalten des Schalters S1 bestimmt) liegt, um einen möglichst konstanten Strom iLED durch die LED zu erzielen.

[0045] Ein negativer Strom (d.h. ein Stromfluss mit umgekehrter Richtung) ist solange vorhanden, solange die Ladungsträger, die zuvor in der leitend gepolten Diode D1 angereichert wurden, aus der Sperrschicht der Diode D1 ausgeräumt sind. Der Strom iLED hingegen nimmt nur schwach ab und wird aufrechterhalten, da der Kondensator C1 glättend wirkt. Zum Zeitpunkt t_2, also wenn die Sperrschicht ausgeräumt ist, sperrt die Diode. Der Strom i_L nimmt ab (ist aberweiter negativ) und geht gegen null. In dieser Phase werden parasitäre Kapazitäten an der Diode D1 und weitere parasitäre Kapazitäten in der restlichen Schaltung geladen.

[0046] Ein vorteilhafter Wiedereinschaltzeitpunkt t_3 für den Schalter S1 kann nun gegeben sein, wenn der Strom i_L den Nulldurchgang, oder zumindest die Nähe des Nulldurchgangs, erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spule L1 nicht bzw. kaum magnetisiert. Der Schalter S1 kann zu diesem Zeitpunkt mit sehr geringen Verlusten eingeschaltet werden, da kaum Strom durch die Spule L1 fließt.

[0047] Zur Detektion des vorteilhaften Einschaltzeitpunkts für Schalter S1 dient nun die zweite Sensoreinheit SE2. In einer ersten Ausführungsform kann der Strom i_L durch die LED mittels des Transformators erfasst werden. Der Strom iLED durch die LED oder alternativ der Strom i_L durch die Spule L1 kann auch beispielsweise mittels eines Hallsensors erfasst werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der zweiten Sensoreinheit SE2 um einen Serie zu den LED geschalteten Transformator mit einer Primärwicklung (T1) und einer Sekundärwicklung (T2). Ein Meßglied RM ist in Serie zu der Sekundärwicklung (T2) angeordnet, so dass ein Sekundärkreis gebildet wird, wobei in die Sekundärwicklung (T2) ein definierter Strom eingespeist wird und 5/15 österreichisches Patentamt AT508195B1 2012-03-15 zumindest eine Messung auf der Sekundärseite erfolgt. Die Überwachung des zeitlichen Spannungsverlaufs auf der Sekundärseite T2 ermöglicht eine Aussage über den vorteilhaften Wiedereinschaltzeitpunkts des Schalters S1.

[0048] Es kann aber auch der Schalter S1 durch die Steuer/Regeleinheit SR derart angesteuert werden, dass auf den Mittelwert des Stromes ILED durch die LED geregelt wird. Da durch die Erfindung auch die Messung eines Gleichstromes ermöglicht wird, muß keine hysteretische Regelung angewendet werden, sondern es kann auch eine Regelschleife angewendet werden, bei der nur ein Messwert des LED Stromes ILED als Istgröße bewertet wird.

[0049] Die optionale erste Sensoreinheit SE1 ist in Serie zum Schalter S1 angeordnet und erfasst den Stromfluss durch den Schalter S1. Dies dient zur Überwachung des Stromflusses durch den Schalter S1. Übersteigt der Stromfluss durch den Schalter S1 einen bestimmten maximalen Referenzwert, so wird der Schalter S1 ausgeschaltet. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann es sich bei der ersten Sensoreinheit SE1 beispielsweise um einen Messwiderstand (Shunt) handeln.

[0050] Zur Überwachung des Stromflusses kann nun der Spannungsabfall am Messwiderstand (Shunt) abgegriffen werden und beispielsweise mittels eines Komparators mit einem Referenzwert verglichen werden. Überschreitet der Spannungsabfall am Messwiderstand (Shunt) einen bestimmten Wert, so wird der Schalter S1 abgeschaltet.

[0051] Die Überwachung mittels der optionalen ersten Sensoreinheit SE1 kann zumindest zusätzlich oder alternativ zu der zweiten Sensoreinheit SE2 für die Erfassung der Ausschaltbedingung des Schalters S1 genutzt werden. Sie kann dabei vor allem auch als Schutz des Schalters S1 gegen Überströme im Fehlerfall genutzt werden.

[0052] Die Steuer/Regeleinheit SR verwendet die Information von der optionalen ersten Sensoreinheit SE1 und der zweiten Sensoreinheit SE2 zur Festlegung des Aus- und Einschaltzeitpunkts des Schalter S1. Die Regelung der (zeitlich gemittelten) LED-Ieistung durch die Steuer-einheit/Regeleinheit SR zur Einstellung der Helligkeit der LED kann beispielsweise in Form von PWM-Paketen erfolgen. Die Frequenz des PWM-Pakete liegt typischerweise in der Größenordnung von 100 - 1000 Hz. Der Schalter S1 selbst wird aber während der PWM-Pakete mit einer deutlich höheren Frequenz ein- und ausgeschaltet.

[0053] Eine mögliche Ausführung der Erfindung ist in den Fig. 3 (3a und 3b) dargestellt. Dort ist eine Betriebsschaltung für wenigstens eine LED gezeigt, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, und die mittels einer Spule (L1) und einem durch eine Steuereinheit (SR) getakteten Schalter (S1) eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt. Bei eingeschaltetem Schalter (S1) wird in der Spule (L1) eine Energie zwischengespeichert, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1) über wenigstens eine LED entlädt. Die Betriebsschaltung kann so gesteuert werden, daß die Steuereinheit (SR) die Zeitdauer toff zwischen einem Ausschalten und einem folgenden Einschalten des Schalters (S1) abhängig von der Messung des Stromes durch die LED bestimmt.

[0054] Dabei kann die Steuereinheit (SR) den Strom durch die LED mittels eines in Serie zu der LED geschalteten Transformators mit einer Primärwicklung (T1) und einer Sekundärwicklung (T2) bestimmen. Dabei kann die Steuereinheit (SR) einen ansteigenden Strom in die Sekundärwicklung (T2) des Transformators einspeisen. Vorzugsweise erfolgt dies durch eine in der Steuereinheit (SR) angeordnete Stromquelle (loff). Die Steuereinheit (SR) kann die Spannung über der Sekundärwicklung (T2) des Transformators über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) überwachen. Es erfolgt also die Messung des Stromes durch die LED mittels einer zweiten Sensoreinheit (SE2) mittels eines Transformators.

[0055] Der definierte Strom, der in die Sekundärwicklung T2 durch die Stromquelle (loff) eingespeist wird, kann ein Dreiecksstrom sein. Der definierte Strom, der in die Sekundärwicklung T2 durch die Stromquelle (loff) eingespeist wird, kann auch ein Dreiecksstrom mit einem festgelegtem Gleichspannungsanteil (DC-Offset) sein. Der definierte Strom, der in die Sekundärwicklung T2 durch die Stromquelle (loff) eingespeist wird, kann aber auch beispielsweise ein DC- 6/15 österreichisches Patentamt AT508 195B1 2012-03-15

Referenzstrom mit fixer Amplitude sein, dem ein Wechselspannungsanteil mit definierter Amplitude und Frequenz überlagert wird. Bei dieser Variante ist vorzugsweise zur Auswertung ein Komparator vorgesehen, der ständig toggelt (also umschaltet). Es kann bei einer Speisung mit einem DC-Referenzstrom mit fixer Amplitude, dem ein Wechselspannungsanteil mit definierter Amplitude und Frequenz überlagert wird, auch das Signal über die Zeit überwacht werden.

[0056] Somit wird eine Strommessung ermöglicht, durch die sehr genau ein zu überwachender Strom bestimmt werden kann, wobei es sich bei dem Strom auch um einen Gleichstrom handeln kann.

[0057] Vorzugsweise hat der zu messende Strom (wobei dies wie bereits erwähnt auch ein Gleichstrom sein kann) eine Amplitude, die über dem Sättigungsstrom des Transformators liegt, vorzugsweise liegt der zu messende Strom signifikant über dem Sättigungsstrom des Transformators, um eine sichere Messung zu gewährleisten. Somit wird der Transformator in Sättigung betrieben, wenn der zu messende Strom mit einer entsprechenden Amplitude durch den Transformator (d.h. durch die Primärwicklung T1) fließt.

[0058] Wenn nunmehr in die Sekundärwicklung T2 ein definierter Strom eingespeist wird, der eine ansteigende Amplitude aufweist, dann baut sich aufgrund des Stromes durch die Sekundärwicklung T2 und dem sich daraus ergebenden Spannungsabfall über der Sekundärwicklung T2 ein magnetischer Fluss. Da die Primärwicklung T1 und die Sekundärwicklung T2 magnetisch gekoppelt sind, werden sich die von den Strömen durch die Primärwicklung T1 und die Sekundärwicklung T2 hervorgerufenen magnetischen Flüsse aufheben, sobald deren Werte auf gleichem Niveau sind. Bei einem Wicklungsverhältnis von Primärwicklung T1 zu Sekundärwicklung T2 von 1:1 (d.h. die Anzahl der Primärwicklungen ist gleich der Anzahl der Sekundärwicklungen) heben sich somit die magnetischen Flüsse in dem Transformator auf, sobald der sekundärseitig in den Transformator eingespeiste Strom dem primärseitig überwachten Strom entspricht. Wenn nunmehr der in die Sekundärwicklung T2 eingespeiste definierte Strom den zu überwachenden Strom übersteigt, geht die Sekundärwicklung T2 in Sättigung, was durch eine sekundärseitige Überwachung (beispielsweise über die Messung am Widerstand RM) erkennbar ist. Für das in Fig. 3a und 3b dargestellte Beispiel würde über dem Widerstand RM ein erkennbarer Anstieg der über dem Widerstand RM abfallenden Spannung eintreten, sobald die Sekundärwicklung T2 in Sättigung geht.

[0059] Somit bildet die Primärwicklung T1 ein erstes Energiespeicherelement, wobei ein Strom durch die LED und durch die Primärwicklung T1 als ein erstes Energiespeicherelement fließt, wobei die Primärwicklung T1 als erstes Energiespeicherelement mit der Sekundärwicklung T2 als ein zweites Energiespeicherelement gekoppelt ist. Wenn die Primärwicklung T1 als das erste Energiespeicherelement aufgrund des Stromes durch die LED seine maximale Energiespeicherfähigkeit zumindest erreicht hat (also in Sättigung ist), und in Sekundärwicklung T2 als das zweite Energiespeicherelement ein definierter Strom mit vorzugsweise ansteigender Amplitude gespeist wird, so kann somit der Zeitpunkt erkannt werden, zu dem das erste Energiespeicherelement aufgrund des Stromes durch das zweite Energiespeicherelement wieder eine Energiespeicherfähigkeit erlangt, also die Primärwicklung T1 den Zustand der Sättigung verlässt.

[0060] Eine Steuer/ Regeleinheit SR kann die Spannung über der Sekundärwicklung (T2) über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) überwachen, beispielsweise am Messpunkt C3 an dem Widerstand RM. Anstelle eines Analog-Digital-Wandlers ADC kann die Messung aber beispielsweise auch mittels eines Komparators erfolgen. Sobald die überwachte Spannung einen dem Komparator zugeführte Referenzspannung überschreitet, kann so beispielsweise festgestellt werden, dass der Transformator nicht mehr aufgrund des LED Stromes auf der Primärseite in Sättigung ist.

[0061] Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3a und Fig. 3b besteht darin, dass bei dem Beispiel gemäß Fig. 3a die Steuer/ Regeleinheit SR nur einen Anschluß C2 für die Einspeisung des definierten Stromes in die Sekundärwicklung T2 und die Überwachung der Sekundärwicklung T2 benötigt. 7/15 österreichisches Patentamt AT508 195B1 2012-03-15 [0062] Gemäß diesem Beispiel der Fig. 3a ist die Steuer/ Regeleinheit SR derart ausgelegt, dass sie über den gleichen Anschluß sowohl einen Strom speisen kann (mittels der integrierten Stromquelle loff) als auch gleichzeitig die Spannung an dem Anschluß C2 überwachen kann (mittels eines Analog-Digital-Wandlers ADC), um damit die Messung an der Sekundärwicklung T2 durchzuführen.

[0063] Gemäß dem Beispiel der Fig. 3b ist die Steuer/ Regeleinheit SR derart ausgelegt, dass sie über einen ersten Anschluß C2 einen Strom in die Sekundärwicklung T2 speisen kann (mittels der integrierten Stromquelle loff) und mittels des Anschlußes C3 die Spannung über dem Widerstand RM überwachen kann (mittels eines Analog-Digital-Wandlers ADC), um damit die Messung an der Sekundärwicklung T2 durchzuführen.

[0064] Die Steuer/ Regeleinheit SR kann den definierten Strom in die Sekundärwicklung T2 durch die Stromquelle (loff) nur während der Ausschaltphase des Schalters (S1) einspeisen.

[0065] Die Steuereinheit (SR) kann die Messung des Stromes durch die anhand der Spannung über Sekundärwicklung T2 während der Ausschaltphase durchführen. Es kann also die Messung des Stromes durch die LED mittels einer zweiten Sensoreinheit (SE2) mittels eines Transformators erfolgen.

[0066] Die zweite Sensoreinheit (SE2) kann aber auch ein Hallsensor sein, insbesondere durch miteinander gekoppelte Elemente eines Hallsensors gebildet werden.

[0067] Figuren 4 und Figur 5 zeigen spezielle Ausführungsformen der Erfindung.

[0068] Figur 4 zeigt eine Modifikation von der Schaltung in Figur 3 dahingehend, dass zusätzlich ein zweiter Schalter S2 parallel zu den LEDs und dem Kondensator C1 angeordnet ist. Der Schalter S2 ist selektiv/unabhängig ansteuerbar und kann beispielsweise ein Transistor sein. Wird der Schalter S2 geschlossen, so wird der Entladevorgang des Kondensators C1 beschleunigt. Durch die beschleunigte Entladung des Kondensators C1 wird erreicht, dass der Stromfluss durch die LED möglichst schnell gegen null geht. Dies ist beispielsweise am Ende eines PWM-Pakets erwünscht, wo der Stromfluss durch die LED möglichst schnell abfallen soll d.h. die abfallende Flanke des Stromsverlaufs möglichst steil sein soll (aus Gründen der Farb-konstanz).

[0069] Vorzugsweise kann der Schalter S2 bei niedrigem Dimmlevel aktiviert und angesteuert werden, wo die PWM-Pakete sehr kurz sind und es wichtig ist, dass der Strom durch die LED am Ende eines Pulspakets rasch gegen null geht. Beispielsweise kann durch geeignete Ansteuerung des Schalters S2 ein noch niedrigeres Dimmlevel erreicht werden.

[0070] Eine weitere Funktion dieses Schalters S2 ist, dass er im eingeschalteten Zustand die LEDs überbrückt. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn die LEDs ausgeschaltet werden sollen, d.h. kein Licht emittieren sollen, aber die Versorgungsspannung U0 noch anliegt. Ohne die Überbrückung durch den Schalter S2 würde ein (zwar kleiner) Strom über die LEDs und die Widerstände R1 und R2 fließen und die LEDs (geringfügig) leuchten.

[0071] Es sei angemerkt, dass die Anordnung eines zweiten Schalters S2 parallel zu den LEDs und dem Kondensator C1 zur beschleunigten Entladung des Kondensators C1 nicht nur auf die spezielle Ausführungsform der Schaltungsanordnung von Figur 4 beschränkt ist, sondern bei allen Ausführungsformen der Erfindung angewandt werden kann.

[0072] Es sei bemerkt, dass das Verfahren zur Messung des Stromes durch die LED, vorzugsweise zur Detektion eines vorteilhaften Einschaltzeitpunkts für den Schalter S1, natürlich auf andere Schaltungstopologien angewandt werden kann, so beispielsweise für einen sogenannten Buck-Boost Converter oder einen sogenannten Forward Converter. Figur 5 zeigt eine Modifikation der Schaltung von Figur 2a dahingehend, dass die Anordnung der Drossel L1, der Diode D1 sowie die Orientierung der LED-strecke modifiziert ist (Buck-Boost Converter). In Serie zu den LED ist wiederum ein Transformator mit einer Primärwicklung (T1) und einer Sekundärwicklung (T2) angeordnet. Ein Meßglied RM ist in Serie zu der Sekundärwicklung (T2) angeordnet, so dass ein Sekundärkreis gebildet wird, wobei in die Sekundärwicklung (T2) ein 8/15 österreichisches Patentamt AT508195B1 2012-03-15 definierter Strom eingespeist wird und zumindest eine Messung auf der Sekundärseite erfolgt.

[0073] Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt einer Betriebsschaltung für wenigstens eine LED analog zu den Schaltungen der bisherigen Beispiele. Eine solche Betriebsschaltung treibt wenigstens eine LED, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, und die mittels einer Spule (L1) und einem durch eine Steuereinheit (SR) getakteten Schalter (S1) eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter (S1) in der Spule (L1) eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1) über wenigstens eine LED entlädt, wobei in Serie zu der LED ein Transformator mit einer Primärwicklung (T1) und einer Sekundärwicklung (T2) angeordnet ist, und ein Strommeßglied in Serie zu der Sekundärwicklung (T2) angeordnet ist, so dass ein Sekundärkreis gebildet wird, wobei in die Sekundärwicklung (T2) ein definierter Strom eingespeist wird und zumindest eine Messung auf der Sekundärseite erfolgt. Vorzugsweise wird der definierte Strom IM durch eine Stromquelle (loff), welche mit der Sekundärwicklung T2 verbunden ist, in die Sekundärwicklung T2 eingespeist. Das Strommeßglied kann ein Widerstand RM (z.B. ein Strommess-Shunt) sein.

[0074] Mittels der Messung kann auf der Sekundärseite der Strom ILED durch die LED bestimmt werden.

[0075] Der definierte Strom IM, der in die Sekundärwicklung T2 als die gekoppelte Wicklung eingespeist wird, kann ein Dreiecksstrom sein.

[0076] Der Zeitpunkt kann erkannt werden, bei dem der eingespeiste Dreiecksstrom den Strom ILED durch die LED übersteigt.

[0077] Dieser Zeitpunkt kann durch eine Spannungsüberwachung oder Messung an der Sekundärwicklung T2 als gekoppelte Wicklung erkannt werden.

[0078] Es kann der Zeitpunkt erkannt werden, bei dem der eingespeiste Dreiecksstrom einen Wert erreicht, dass der Transformator nicht mehr aufgrund des LED Stromes ILED auf der Primärseite in Sättigung ist.

[0079] Dieser Zeitpunkt kann durch eine Spannungsüberwachung oder Messung an der Sekundärwicklung T2 als gekoppelte Wicklung erkannt werden.

[0080] Anhand des erkannten Zeitpunktes kann auf die Höhe des Stromes ILED durch die LED geschlossen werden. Dabei kann das Wicklungsverhältnis des Transformators bei der Bestimmung des Stromes berücksichtigt werden. Vorzugsweise ist das Wicklungsverhältnis des Transformators eins zu eins (1:1).

[0081] Der Transformator kann die zweite Sensoreinheit (SE2) bilden.

[0082] Die zweite Sensoreinheit (SE2) kann aber auch ein Hallsensor sein, insbesondere kann die zweite Sensoreinheit (SE2) durch miteinander gekoppelte Elemente eines Hallsensors gebildet werden.

[0083] Ein Kondensator (C1) kann parallel zu der wenigstens eine LED angeordnet sein, und der während der Phase der Entmagnetisierung der Spule (L1) den Strom ILED durch die LED aufrecht erhält, so dass der Strom ILED durch die LEDs geglättet wird.

[0084] Ein Schalter (S2) kann der parallel zu dem Kondensator (C1) und den LEDs angeordnet ist und unabhängig ansteuerbar sein.

[0085] Der Schalter (S2) kann geschlossen werden, um den Entladevorgang des Kondensators (C1) zu beschleunigen.

[0086] Eine Steuereinheit (SR) kann die Spannung über der Sekundärwicklung (T2) über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) überwachen.

[0087] Somit wird ein Verfahren zum Betreiben von wenigstens einer LED mittels einer Schaltreglerschaltung ermöglicht, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird und die mittels einer Spule (LI) und einem durch eine Steuer/Regeleinheit (SR) 9/15

Claims (10)

1. österreichisches Patentamt AT508 195 B1 2012-03-15 getakteten Schalter (S1) eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter (S1) in der Spule (L1) eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1) über eine Diode (D1) und über wenigstens eine LED entlädt, und der Strom ILED durch die LED durch ein erstes Energiespeicherelement fließt, welches mit einem zweiten Energiespeicherelement gekoppelt ist, und das erste Energiespeicherelement aufgrund des Stromes ILED durch die LED seine maximale Energiespeicherfähigkeit zumindest erreicht, wobei in das zweite Energiespeicherelement ein definierter Strom IM mit vorzugsweise ansteigender Amplitude gespeist wird, so dass der Zeitpunkt erkannt werden kann, zu dem das erste Energiespeicherelement aufgrund des Stromes durch das zweite Energiespeicherelement wieder eine Energiespeicherfähigkeit erlangt. Der definierte Strom IM, der in das zweite Energiespeicherelement gespeist wird, kann auch eine Dreiecksform aufweisen. [0088] Die miteinander gekoppelten Energiespeicherelemente bilden somit die zweite Sensoreinheit (SE2) und können durch magnetisch gekoppelte Wicklungen eines Transformators (T1, T2) gebildet werden. Die miteinander gekoppelten Energiespeicherelemente, die die zweite Sensoreinheit (SE2) bilden, können aber auch durch miteinander gekoppelte Elemente eines Hallsensors gebildet werden. [0089] Die Schaltreglerschaltung bildet dabei eine Betriebsschaltung für zumindest eine LED. Patentansprüche 1. Betriebsschaltung für wenigstens eine LED, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, und die mittels einer Spule (L1), und einem durch eine Steuer/ Regeleinheit (SR) getakteten Schalter (S1) eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter (S1) in der Spule (L1) eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1) über wenigstens eine LED entlädt, wobei in Serie zu der LED ein Transformator mit einer Primärwicklung (T1) und einer Sekundärwicklung (T2) angeordnet ist, und ein Meßglied (RM) in Serie zu der Sekundärwicklung (T2) angeordnet ist, so dass ein Sekundärkreis gebildet wird, und an dem Meßglied (RM) zumindest eine Messung auf der Sekundärseite erfolgt, gekennzeichnet dadurch, dass in die Sekundärwicklung (T2) durch eine Stromquelle (loff) ein definierter Strom mit vorzugsweise ansteigender, insbesondere dreieckförmiger, Amplitude eingespeist wird und die Betriebsschaltung einen Komparator oder einen Analog-Digital-Wandler auf der Seite der Sekundärwicklung (T2) aufweist, welche die an der Sekundärwicklung (T2) anliegende Spannung mit einer Referenzspannung oder einem Referenzwert vergleichen, um den Zeitpunkt zu erkennen, bei dem der eingespeiste Strom den Strom (iLED) durch die LED übersteigt und der Transformator somit nicht mehr auf Grund des Stromes durch die Primärwicklung (T1) in Sättigung ist.
2. 2. Betriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messung auf der Sekundärseite der Strom (iLED) durch die LED bestimmt werden kann.
3. 3. Betriebsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Strom, der in die Sekundärwicklung (T2) eingespeist wird, ein Dreiecksstrom ist.
4. 4. Betriebsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, das der Transformator eine Sensoreinheit (SE2) bildet.
5. 5. Betriebsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend einen Kondensator (C1), der parallel zu der wenigstens eine LED angeordnet ist, und der während der Phase der Entmagnetisierung der Spule (L1) den Strom durch die LED aufrecht erhält, so dass der Strom (iLED) durch die LEDs geglättet wird.
6. 6. Betriebsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend einen Steuerschaltkreis (IC) als die Steuer/Regeleinheit (SR), wobei der Steuerschaltkreis (IC) über einen Eingang zur Erkennung des Erreichens der Entmagnetisierung der Spule (L1) verfügt und den Schalter (S1) ansteuert. 10/15 österreichisches Patentamt AT508 195B1 2012-03-15
7. 7. Betriebsschaltung nach Anspruch 5 oder den Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet durch einen Schalter (S2), der parallel zu dem Kondensator (C1) und den LEDs angeordnet ist und unabhängig ansteuerbar ist.
8. 8. Betriebsschaltung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Schalter (S2) geschlossen wird, um den Entladevorgang des Kondensators (C1) zu beschleunigen.
9. 9. Betriebsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuer/Regeleinheit (SR) die Spannung über der Sekundärwicklung (T2) über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) überwacht.
10. 10. Verfahren zum Erfassen des Stromes durch wenigstens eine LED, wobei der Strom durch die LED durch eine Primärwicklung (T1) eines Transformators, fließt, welche mit einer Sekundärwicklung (T2) des Transformators, gekoppelt ist, und die Primärwicklung (T1) aufgrund des Stromes (iLED) durch die LED seine Sättigung erreicht, und wobei in die Sekundärwicklung (T2) durch eine Stromquelle (loff) ein definierter Strom mit vorzugsweise ansteigender, insbesondere dreieckförmiger, Amplitude gespeist wird, und ein Komparator oder ein Analog-Digital-Wandler auf der Seite der Sekundärwicklung (T2) angeordnet ist, wobei mittels des Komparators oder des Analog-Digital-Wandlers die an der Sekundärwicklung (T2) anliegende Spannung mit einer Referenzspannung oder einem Referenzwert vergleichen wird, um den Zeitpunkt zu erkennen, bei dem der Transformator somit nicht mehr auf Grund des Stromes durch die Primärwicklung (T1) in Sättigung ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 11 /15