DE102009047632A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer LED - Google Patents
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Abstract
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer LED mit einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Koppeln mit einer Versorgungswechselspannung, einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines Ausgangsstroms für die mindestens eine LED, einem ersten Gleichrichter mit einem ersten und einem zweiten Gleichrichtereingangsanschluss und einem ersten und einem zweiten Gleichrichterausgangsanschluss, wobei der erste Gleichrichtereingangsanschluss mit dem ersten Eingangsanschluss und der zweite Gleichrichtereingangsanschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, einem Speicherkondensator mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, wobei einer der Anschlüsse des Speicherkondensators mit einem der Gleichrichterausgangsanschlüsse des ersten Gleichrichters gekoppelt ist, einem Wechselrichter in Halbbrückenanordnung, wobei der Wechselrichter einen ersten und einen zweiten elektronischen Schalter umfasst, wobei die Serienschaltung des ersten und des zweiten elektronischen Schalters unter Ausbildung eines ersten Halbbrückenmittelpunkts parallel zum Speicherkondensator gekoppelt ist, und einer Induktivität, die zwischen den ersten Halbbrückenmittelpunkt und den Ausgang der Schaltungsanordnung gekoppelt ist.
- Stand der Technik
- Aus dem Stand der Technik ist es bekannt zur Erzielung eines hohen Netzleistungsfaktors in gattungsgemäßen Schaltungsanordnungen eine eigene Wandlerschaltung zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC = Power Factor Correction) einzusetzen, die durch eine spezielle integrierte Schaltung oder einen Mikrocontroller gesteuert wird. In Europa wird hierfür meist die Grundschaltung eines Boost-Konverters benutzt.
- Diese aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehensweise ist aufgrund der zusätzlich zur Leistungsfaktorkorrektur verwendeten Wandlerschaltung für viele Anwendungen zu aufwendig und zu kostenintensiv. Überdies nehmen Realisierungen nach dem Stand der Technik für viele Anwendungen zu viel Bauraum ein.
- Darstellung der Erfindung
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, dass bei möglichst geringem Zusatzaufwand ein hoher Netzleistungsfaktor erzielt werden kann.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, wenn ein parallel zum Ausgang des ersten Gleichrichters gekoppelter Kondensator vorgesehen wird, der durch einen hochfrequenten Anteil des Lastkreisstroms, das heißt einem Anteil aus der Betriebsfrequenz des Wechselrichters, beaufschlagt wird.
- Dieser so genannte Leistungsfaktorkorrekturkondensator lädt hochfrequent den Speicherkondensator nach, der seinerseits den Wechselrichter mit Energie versorgt.
- Demnach fließt Strom aus dem ersten Gleichrichter in den Speicherkondensator nur dann nach, wenn die Spannung über dem ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensator kleiner ist als der Betrag des Momentanwertes der Netzspannung.
- Diese Vorgehensweise ermöglicht eine Stromversorgung der mindestens einen LED bei gleichzeitig hohem Netzleistungsfaktor ohne eigene Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur. Eine in diesem Zusammenhang besonders vorteilhafte Steuerung des Wechselrichters ist beispielsweise in der
DE 10 2009 042 433.4 beschrieben. Während eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung ohne Maßnahmen zur Leistungsfaktorkorrektur einen Netzleistungsfaktor von ungefähr 0,5 aufweist, lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ein Netzleistungsfaktor von über 0,9 erzielen. - Bei einer ersten Alternative einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der zweite Anschluss des Speicherkondensators mit dem zweiten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters gekoppelt, wobei die Diode zwischen den ersten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters und den ersten Anschluss des Speicherkondensators gekoppelt ist.
- Bevorzugt weist eine Weiterbildung dieser Alternative weiterhin einen zweiten Leistungsfaktorkorrekturkondensator auf, der zwischen den Ausgang der Schaltungsanordnung und den ersten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters gekoppelt ist. Über diesen zweiten Leistungsfaktorkorrekturkondensator wird bei dieser Ausführungsform der Ladestrom für den ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensator bereitgestellt. In diesem Zusammenhang bedeutet Ausgang der Schaltungsanordnung einen Knoten der Schaltungsanordnung, der Spektralanteile bei der Betriebsfrequenz des Wechselrichters aufweist. Wenn daher am Ausgang der Schaltungsanordnung ein zweiter Gleichrichter vorgesehen ist zur Bereitstellung eines Gleichstroms an die mindestens eine LED, so ist demnach der zweite Leistungsfaktorkorrekturkondensator mit einem Punkt der Schaltungsanordnung vor Gleichrichtung des Lastkreisstroms gekoppelt.
- Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schaltungsanordnung weiterhin einen weiteren Leistungsfaktorkorrekturkondensator auf, der zwischen den ersten Halbbrückenmittelpunkt und den ersten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters gekoppelt ist. Auf diese Weise können weitere hochfrequente Spektralanteile, das heißt Anteile bei der Betriebsfrequenz des Wechselrichters und Vielfacher davon, zur Ladung des Speicherkondensators verwendet werden.
- Bevorzugt umfasst dabei die Schaltungsanordnung weiterhin mindestens einen Koppelkondensator, der zwischen den Ausgang der Schaltungsanordnung und den zweiten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters gekoppelt ist, wobei gilt: wobei f die Betriebsfrequenz des Wechselrichters, C3 den ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensator, C10 den zweiten Leistungsfaktorkorrekturkondensator, L1 die Induktivität und C11 den Koppelkondensator darstellt. Durch eine entsprechende Dimensionierung wird sichergestellt, dass der Lastkreis quasiresonant betrieben wird. Dies stellt eine ausreichend hohe Amplitude der Spektralanteile bei der Betriebsfrequenz des Wechselrichters und Vielfacher davon bereit zur Nachladung des Leistungsfaktorkorrekturkondensators C3.
- Bei einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der erste Anschluss des Speicherkondensators mit dem ersten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters gekoppelt, wobei die Diode zwischen den zweiten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters und den zweiten Anschluss des Speicherkondensators gekoppelt ist.
- Die mit Bezug auf die erste Variante vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen sind auch bei der zweiten Variante möglich. Entsprechend kann sie einen zweiten Leistungsfaktorkorrekturkondensator aufweisen, der zwischen den Ausgang der Schaltungsanordnung und den zweiten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters gekoppelt ist. Zusätzlich oder alternativ kann ein weiterer Leistungsfaktorkorrekturkondensator vorgesehen sein, der zwischen den ersten Halbbrückenmittelpunkt und den zweiten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters gekoppelt ist. Schließlich kann auch hier weiterhin mindestens einen Koppelkondensator vorgesehen sein, der zwischen den Ausgang der Schaltungsanordnung und den ersten Gleichrichterausgangsanschluss des ersten Gleichrichters gekoppelt ist, wobei gilt: wobei f die Betriebsfrequenz des Wechselrichters, C3 den ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensator, C10 den zweiten Leistungsfaktorkorrekturkondensator, L1 die Induktivität und C11 den Koppelkondensator darstellt.
- Die folgenden bevorzugten Ausführungsformen gelten für beide zuvor erwähnten Varianten:
So ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erste Leistungsfaktorkorrekturkondensator so dimensioniert, dass die über ihm im Betrieb der Schaltungsanordnung abfallende hochfrequente Spannung zwischen 20% und 100% der Amplitude der Versorgungswechselspannung beträgt. Dadurch ist sichergestellt, dass durch den ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensator ausreichend Energie zum Nachladen des Speicherkondensators bereitstellbar ist. - Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform gilt C10 = C11 = C3.
- Schließlich ist es bevorzugt, wenn die Kapazität des mindestens einen Koppelkondensators sowie des ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensators zwischen 1 und 25 nF beträgt.
- Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
- Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; -
2 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und -
3 in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. - Bevorzugte Ausführung der Erfindung
-
1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Diese weist einen Eingang mit einem ersten E1 und einem zweiten Eingangsanschluss E2 auf. Zwischen die Eingangsanschlüsse E1, E2 ist eine Versorgungswechselspannung UN, beispielsweise die Netzspannung, koppelbar. Auf den Eingang folgt ein Netzfilter, das die Kondensatoren C1 und C2 sowie die Induktivität L2 umfasst. Der Kondensator C2 ist mit dem Eingang eines ersten Gleichrichters GL1 gekoppelt, dessen Eingang einen ersten GE1 und einen zweiten Gleichrichtereingangsanschluss GE2 aufweist. Der Anschluss GA2 stellt das Bezugspotential für die weitere Schaltungsanordnung bereit. - Zwischen den Ausgang des Gleichrichters GL1, der einen ersten Gleichrichterausgangsanschluss GA1 und einen zweiten Gleichrichterausgangsanschluss GA2 umfasst, ist ein Kondensator C3 gekoppelt, an dem eine Spannung UC3 abfällt. Der Verbindungspunkt des Kondensators C3 mit dem ersten Gleichrichterausgangsanschluss GA1 ist über eine Diode D1 mit einem Speicherkondensator C4 gekoppelt. Am Kondensator C4 fällt die so genannte Zwischenkreisspannung UZw ab, die den Wechselrichter
10 mit Energie versorgt. - Der Wechselrichter
10 ist vorliegend in Halbbrückenanordnung ausgeführt und umfasst die elektronischen Schalter S1 und S2. Diese werden von einer Steuervorrichtung12 mit einem hochfrequenten Rechtecksignal – wie allgemein bekannt – angesteuert. Die Frequenz des Rechtecksignals beträgt bevorzugt mehr als 20 kHz und ist daher hochfrequent im Vergleich zur Frequenz der Versorgungswechselspannung UN. Zwischen den Schaltern S1, S2 ist ein erster Halbbrückenmittelpunkt HBM1 gebildet, der über eine Induktivität L1 mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung gekoppelt ist. Dieser umfasst einen zweiten Gleichrichter GL2 mit Gleichrichtereingangsanschlüssen GE3 und GE4 sowie Gleichrichterausgangsanschlüssen GA3 und GA4. Der Gleichrichterausgangsanschluss GA4 ist mit einem ersten Ausgangsanschluss A1, der Gleichrichterausgangsanschluss GA3 mit einem zweiten Ausgangsanschluss A2 der Schaltungsanordnung gekoppelt, zwischen die im Betrieb der Schaltungsanordnung mindestens eine LED zu koppeln ist, die dann von einem Ausgangsstrom IA durchflossen wird. Der Gleichrichtereingangsanschluss GE4 ist mit einem zweiten Halbbrückenmittelpunkt HBM2 der Schaltungsanordnung gekoppelt. Dieser ist einerseits über einen Koppelkondensator C10 mit dem ersten Gleichrichterausgangsanschluss GA1 des ersten Gleichrichters GL1 und zum anderen über einen Koppelkondensator C11 mit dem zweiten Gleichrichterausgangsanschluss GA2 des Gleichrichters GL1 gekoppelt. - Optional kann der Halbbrückenmittelpunkt HBM1 über einen Kondensator C15 mit dem ersten Gleichrichterausgangsanschluss GA1 des ersten Gleichrichters GL1 gekoppelt sein.
- Zur Funktionsweise: Durch Ansteuerung der Schalter S1, S2 des Wechselrichters
10 derart, dass die Schalter alternierend ein- und ausgeschaltet werden, wird eine Wechselspannung mit einer Betriebsfrequenz f am Halbbrückenmittelpunkt HBM1 erzeugt. Dadurch wird ein Strom durch den Lastkreis, der die Induktivität L1, die Kondensatoren C10, C11 und C3 umfasst, und insbesondere durch die am Ausgang des zweiten Gleichrichters GL2 angeschlossene LED getrieben. - Zur Erzielung einer ausreichend hohen Leistungsfaktorkorrektur ist vorliegend der durch den Lastkreis verursachte Spannungsabfall UC3 am Kondensator C3 nennenswert gegenüber der Amplitude der Netzspannung UN. Demnach gilt: UC3 = 0,2 bis 1,0 UN.
- Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Impedanz des Kondensators C3 bei der gegebenen Betriebsfrequenz f nicht zu klein ist. Eine erste Randbedingung ergibt sich bei leitender Diode D1 dadurch, dass die Kondensatoren C10 und C11 so zu dimensionieren sind, dass keine Resonanz auftritt. Demnach gilt:
-
- Durch diese Maßnahme wird der Lastkreis quasiresonant betrieben.
-
- Damit ist der Spannungsabfall am Kondensator C3 ausreichend definiert, da im quasiresonanten Betrieb bereits kleine Frequenzänderungen ausreichen, um den Strom IC3 und damit den LED-Strom IA konstant zu halten.
- Durch die Verwendung des Kondensators C15 werden überdies hochfrequente Wechselspannungsanteile am Halbbrückenmittelpunkt HBM1 zum Laden des Kondensators C3 verwendet.
-
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei dem – im Vergleich zu dem in1 dargestellten Ausführungsbeispiel – der Kondendator C3 wiederum zwischen die Ausgangsanschlüsse GA1 und GA2 des Gleichrichters GL1 gekoppelt ist. Allerdings ist nunmehr die Diode D1 zwischen die Anschlüsse der Kondensatoren C3 und C4 gekoppelt, die nicht mit dem Gleichrichterausgangsanschluss GA1 gekoppelt sind. Der Kondensator C15 ist nun zwischen den ersten Halbbrückenmittelpunkt HBM1 und den Verbindungspunkt der Diode D1 und des Kondensators C3 gekoppelt. Das in2 dargestellte Ausführungsbeispiel stellt eine zu der in1 dargestellten Ausführungsform komplementäre Realisierung dar. -
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei dem als einziger Unterschied zur Ausführungsform gemäß1 ein zusätzlicher Transformator TR1 vorgesehen ist, dessen Primärwicklung PW in Reihe zur Induktivität L1 gekoppelt ist. Der Gleichrichter GL2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit der Sekundärwicklung SW des Transformators TR1 gekoppelt. Diese Maßnahme ermöglicht eine potentialfreie Versorgung der LED. Eine entsprechende Ausführungsform ist selbstverständlich auch für die in2 dargestellte Variante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung möglich. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009042433 [0009]
Claims (12)
- Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens einer LED mit – einem Eingang mit einem ersten (E1) und einem zweiten Eingangsanschluss (E2) zum Koppeln mit einer Versorgungswechselspannung (UN); – einem Ausgang mit einem ersten (A1) und einem zweiten Ausgangsanschluss (A2) zum Bereitstellen eines Ausgangsstroms (IA) für die mindestens eine LED; – einem ersten Gleichrichter (GL1) mit einem ersten (GE1) und einem zweiten Gleichrichtereingangsanschluss (GE2) und einem ersten (GA1) und einem zweiten Gleichrichterausgangsanschluss (GA2), wobei der erste Gleichrichtereingangsanschluss (GE1) mit dem ersten Eingangsanschluss (E1) und der zweite Gleichrichtereingangsanschluss (GE2) mit dem zweiten Eingangsanschluss (E2) gekoppelt ist; – einem Speicherkondensator (C4) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, wobei einer der Anschlüsse des Speicherkondensators (C4) mit einem der Gleichrichterausgangsanschlüsse (GA1; GA2) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist; – einem Wechselrichter (
10 ) in Halbbrückenanordnung, wobei der Wechselrichter (10 ) einen ersten (S1) und einen zweiten elektronischen Schalter (S2) umfasst, wobei die Serienschaltung des ersten (S1) und des zweiten elektronischen Schalters (S2) unter Ausbildung eines ersten Halbbrückenmittelpunkts (HBM1) parallel zum Speicherkondensator (C4) gekoppelt ist; und – einer Induktivität (L1), die zwischen den ersten Halbbrückenmittelpunkt (HBM1) und den Ausgang der Schaltungsanordnung gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiterhin umfasst: – eine Diode (D1), die in Serie zum Speicherkondensator (C4) gekoppelt ist, wobei die Serienschaltung aus der Diode (D1) und dem Speicherkondensator (C4) parallel zum Ausgang (GA1, GA2) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist; und – einem ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensator (C3), der zwischen den ersten (GA1) und den zweiten Gleichrichterausgangsanschluss (GA2) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist. - Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss des Speicherkondensators (C4) mit dem zweiten Gleichrichterausgangsanschluss (GA2) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist, wobei die Diode (D1) zwischen den ersten Gleichrichterausgangsanschluss (GA1) des ersten Gleichrichters (GL1) und den ersten Anschluss des Speicherkondensators (C4) gekoppelt ist.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Leistungsfaktorkorrekturkondensator (C10) umfasst, der zwischen den Ausgang der Schaltungsanordnung und den ersten Gleichrichterausgangsanschluss (GA1) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist.
- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen weiteren Leistungsfaktorkorrekturkondensator (C15) umfasst, der zwischen den ersten Halbbrückenmittelpunkt (HBM1) und den ersten Gleichrichterausgangsanschluss (GA1) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist.
- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiterhin mindestens einen Koppelkondensator (C11) umfasst, der zwischen den Ausgang der Schaltungsanordnung und den zweiten Gleichrichterausgangsanschluss (GA2) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist, wobei gilt: wobei f die Betriebsfrequenz des Wechselrichters, C3 den ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensator, C10 den zweiten Leistungsfaktorkorrekturkondensator, L1 die Induktivität und C11 den Koppelkondensator darstellt.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss des Speicherkondensators (C4) mit dem ersten Gleichrichterausgangsanschluss (GA1) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist, wobei die Diode (D1) zwischen den zweiten Gleichrichterausgangsanschluss (GA2) des ersten Gleichrichters (GL1) und den zweiten Anschluss des Speicherkondensators (C4) gekoppelt ist.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Leistungsfaktorkorrekturkondensator (C10) umfasst, der zwischen den Ausgang der Schaltungsanordnung und den zweiten Gleichrichterausgangsanschluss (GA2) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist.
- Schaltungsanordnung nach einem der Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen weiteren Leistungsfaktorkorrekturkondensator (C15) umfasst, der zwischen den ersten Halbbrückenmittelpunkt (HBM1) und den zweiten Gleichrichterausgangsanschluss (GA2) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist.
- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiterhin mindestens einen Koppelkondensator (C11) umfasst, der zwischen den Ausgang der Schaltungsanordnung und den ersten Gleichrichterausgangsanschluss (GA1) des ersten Gleichrichters (GL1) gekoppelt ist, wobei gilt: wobei f die Betriebsfrequenz des Wechselrichters, C3 den ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensator, C10 den zweiten Leistungsfaktorkorrekturkondensator, L1 die Induktivität und C11 den Koppelkondensator darstellt.
- Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leistungsfaktorkorrekturkondensator (C3) so dimensioniert ist, dass die über ihm im Betrieb der Schaltungsanordnung abfallende Spannung (UC3) zwischen 20% und 100% der Amplitude der Versorgungswechselspannung (UN) beträgt.
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: C10 = C11 = C3
- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des mindestens einen Koppelkondensators (C11) sowie des ersten Leistungsfaktorkorrekturkondensators (O3) zwischen 1 und 25 nF beträgt.
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