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WO2013067564A1 - Verfahren zum betreiben von wenigstens einer led mittels dithering - Google Patents

Verfahren zum betreiben von wenigstens einer led mittels dithering Download PDF

Info

Publication number
WO2013067564A1
WO2013067564A1 PCT/AT2012/000289 AT2012000289W WO2013067564A1 WO 2013067564 A1 WO2013067564 A1 WO 2013067564A1 AT 2012000289 W AT2012000289 W AT 2012000289W WO 2013067564 A1 WO2013067564 A1 WO 2013067564A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switch
led
current
low
time
Prior art date
Application number
PCT/AT2012/000289
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ueli Keller
Thomas Kueng
Original Assignee
Tridonic Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tridonic Gmbh & Co. Kg filed Critical Tridonic Gmbh & Co. Kg
Priority to EP12810034.4A priority Critical patent/EP2777364B1/de
Priority to DE112012004722.2T priority patent/DE112012004722A5/de
Publication of WO2013067564A1 publication Critical patent/WO2013067564A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/375—Switched mode power supply [SMPS] using buck topology

Definitions

  • the invention relates to an operating circuit with light emitting diodes according to the preamble of claim 1, a method for operating light emitting diodes according to the preamble of claim 8 and a method for operating light emitting diodes according to the preamble of claim 9.
  • LEDs have become an attractive alternative to conventional light sources such as incandescent or gas discharge lamps.
  • LED light-emitting diode
  • This term is intended below to include both light emitting diodes of inorganic materials as well as light emitting diodes of organic materials. It is known that the light emission of LEDs correlates with the current flow through the LEDs. For brightness control, LEDs are therefore always operated in a mode in which the current flow through the LED is controlled.
  • switching regulator such as buck converter
  • Step-Down or Buck Converter Such a switching regulator is known for example from DE 10 2006 034 371 A1.
  • a control unit controls a high-frequency clocked switch (for example, a power transistor).
  • a high-frequency clocked switch for example, a power transistor.
  • the switch When the switch is turned on, current flows through the LED assembly and a coil, which is charged by it.
  • the cached energy of the coil discharges in the off state of the switch via the LEDs (freewheeling phase).
  • the current through the LED arrangement shows a zigzag time course: when the switch is on, the LED current shows a rising edge, with the switch off, there is a falling edge.
  • the time average of the LED current represents the RMS current through the LED arrangement and is a measure of the brightness of the LEDs.
  • the average effective current can be controlled.
  • Switch typically in the range above 10 kHz, as low as possible.
  • a large fluctuation range of the current has a disadvantageous effect, especially with LEDs, since with change in the
  • the brightness of the LEDs can now be controlled by the time duration or the repetition frequency of the low-frequency PWM packets; For example, the LEDs can be dimmed by adjusting the width of the low-frequency PWM packets or the time interval between the low-frequency PWM packets.
  • the low-frequency PWM packets represent a form of low-frequency pulse packets, and the Changing the brightness is possible over various applicable changes in pulse modulations (pulse duration, pulse width, pulse rate, etc.).
  • a practical requirement of the operating device is that it can be used as flexibly and versatile as possible, for example, regardless of how many LEDs are actually connected as a load and should be operated.
  • the load may also change during operation if, for example, an LED fails.
  • a buck converter for the operation of at least one LED (or a plurality of LEDs connected in series), which has a switch S1 is shown as the basic circuit.
  • the operating circuit is supplied with a DC voltage or a rectified AC voltage U0.
  • the known circuits often require complex measuring circuits in order to achieve a current that is as constant as possible in order to measure the current through the LED during the switch-off phase; for example, this can be done by measuring the voltage across the LED, from which the current is deduced. But a differential voltage measurement at high potential is necessary.
  • the amplitude of the ripples should be as low as possible. This can be done by a suitable choice of the switch-on time tO and
  • Off time t1 done. For example, these times may be selected so that switch S1 is turned on when the power is on falls below a certain minimum reference value and the switch is turned off when the sitrom exceeds a maximum reference value.
  • the switch-on and switch-off time can also be set, for example, as a function of a detected mean value.
  • the operating circuit is supplied with a DC voltage or rectified AC voltage for at least one LED.
  • a supply voltage for at least one LED is provided by means of a coil and a switch clocked by a control / regulating unit, wherein when the switch in the coil, an energy is stored, which discharges when the switch is switched off via a diode and at least one LED.
  • control / regulating unit selects the duty cycle of the switch so that the current flow through the
  • At least one LED is as close as possible to the nominal value and preferably has the smallest possible ripple.
  • the operating circuit drives at least one LED, which is supplied with a DC voltage or rectified AC voltage, and which provides a supply voltage for at least one LED by means of a coil and a switch clocked by a control unit, wherein at switched on switch in the coil an energy is stored, which discharges when switched off switch via at least one LED.
  • a control unit controls the switch so that the LED current is controlled to a predetermined value, and for adjusting the brightness of the LED, low-frequency variable width PWM packets are respectively generated (by the control unit).
  • the switch-on time of the switch (S1) is changed to the next higher or lower adjustable switch-on time after several pulses of an adjustable switch-on time and the remaining pulses are output with this changed switch-on time, so that the number of pulses set with the two On times take a certain ratio and results in an average value of the current through the LED, which corresponds to the default by a target value.
  • the LED current is regulated to a predetermined value and the
  • Adjusting the brightness of the LED generates low-frequency PWM packets of adjustable width.
  • the on-time of the switch results from the average value of the current through the LED during a low-frequency PWM packet.
  • the switch-on time of the switch is increased by a duty value in addition to that from the
  • Control loop resulting value of the switch-on increased.
  • a method of operating at least one LED having a DC voltage or rectified AC voltage in which a supply voltage for at least one LED is provided by a clocked switch, wherein the switch is energized in a coil an energy is stored, which discharges when the switch is off via at least one LED, and a control / regulating unit the switch such controls that the LED current is regulated to a predetermined value and to set the brightness of the LED each low-frequency PWM packets of adjustable width are generated, wherein the switch-on of the switch from a
  • Control loop yields the current through the LED during one
  • Control loop resulting value of the switch-on time is increased.
  • the LED current can be measured in each case over a certain number of pulses of the high-frequency control and falls below a certain width for the
  • the duration of the measurement for determining the LED current can be reduced, and preferably the duration of the measurement does not exceed the width of the low-frequency PWM packet.
  • the invention also relates to a method for operating at least one LED, which is supplied with a DC voltage or rectified AC voltage, wherein the clocked by a switch
  • a control unit controls the switch such that the LED current (iLED) to a predetermined Value is regulated and to set the brightness of the LED respectively low-frequency variable width PWM packets are generated, the turn-on ratio of the switch results from a control loop for the current through the LED and the frequency of the switch is constant, and at the beginning of a low-frequency PWM -weles the turn-on time of the switch is increased by an impact value in addition to the value of the turn-on time resulting from the control loop.
  • the operating circuit comprises a sensor unit which generates a sensor signal and monitors the current through the LED.
  • control unit uses a signal of the sensor unit or a combination with the signal of an optional further sensor unit for determining the switch-on ratio of the switch.
  • the sensor unit is formed by two mutually coupled energy storage elements, for example by a transformer or a Hall sensor.
  • the operating circuit has a
  • Capacitor which is arranged parallel to the at least one LED, and which maintains the current through the LED during the phase of demagnetization of the coil, so that the current is smoothed by the LEDs.
  • FIG. 1 a shows a circuit arrangement according to the known prior art
  • FIG. 1b shows a diagram with the time profile of the LED current in the circuit arrangement of FIG. 1a (prior art).
  • FIG. 2 a shows a first example of an operating circuit (buck) according to the invention for LEDs.
  • Figure 3a and Figure 3b show specific embodiments of the invention.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the invention (Buck Boost).
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the invention for the LED
  • FIG. 7 shows a graphic representation of a possible signal curve according to the invention
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the invention
  • FIG. 9 shows a further embodiment of the invention
  • Figure 10 is a graphical representation of a possible Signalverlauf according to the invention
  • Figure 11 is a graphic representation of a possible signal waveform according to 'the invention.
  • Figure 12 is a graphical representation of the setting of the color locus according to the prior art
  • Figure 13 is an illustration of the adjustment of the color locus according to the invention.
  • Figure 1 a and Figure 1 b show the prior art.
  • the circuit arrangement shown in Figure 2a is used to operate at least one (or more in series or parallel) LED.
  • at least one LED or more in series or parallel LEDs
  • two LEDs are connected in series, it can of course be only one or more LEDs.
  • the LED or the serially connected LEDs are hereafter
  • the LED or also called LED track.
  • An advantage of the present invention is that the operating circuit adapts very flexibly to the type and number of serially connected LEDs.
  • the circuit is supplied with a DC voltage U0, which of course can also be a rectified AC voltage.
  • the LEDs are connected in series with a coil L1 and a switch S1.
  • the switch S1 the switch
  • circuit arrangement a diode D1 (the diode D1 and the coil L1 are connected in parallel with the LEDs) and optionally a capacitor C1 connected in parallel to the LEDs on.
  • a diode D1 the diode D1 and the coil L1 are connected in parallel with the LEDs
  • a capacitor C1 connected in parallel to the LEDs on.
  • Capacitor C1 charged. During the turn-off phase of the switch S1 (freewheeling phase), the capacitor C1 discharges and contributes to the flow of current through the LED track. With suitable dimensioning of the optional capacitor C1, this can lead to a smoothing of the current through the LEDs.
  • the coil L1 may also be part of a power transmitting transformer.
  • switch S1 a field effect transistor is preferably used.
  • the switch S1 is switched to high frequency, typically in one
  • the current can be measured by the LED and thus at a predetermined value or in a predetermined
  • control and / or regulating unit SR (hereinafter also referred to as control / regulating unit SR) is provided which specifies the timing of the switch S1 to control the LED power or the LED current iLED.
  • the control unit SR uses for
  • the sensor unit SE1 designated.
  • the sensor unit SE1 allows a
  • the sensor unit SE1 Measurement during the switch-on phase of the switch S1 and is therefore referred to as the sensor unit SE1.
  • the sensor unit SE2 is arranged within the current branch, which is traversed by the current during the freewheeling phase, preferably in series with the LED or alternatively also in series with the coil L1 (designated as SE2 '). With the aid of the sensor unit SE2, the current through the LED can be determined directly or indirectly.
  • the sensor unit SE2 can also be a current mirror, a Hall sensor or a transformer or it can also be a voltage measurement on the LED.
  • switch S1 is closed and current begins to flow through the LED and coil L1.
  • the current i_L shows an increase according to an exponential function, wherein in the range of interest here a quasi-linear increase of the current iLED and i_L takes place.
  • iLED differs from i_L in that part of the i_L is used to charge the i_L
  • Condenser C1 contributes.
  • the opening of the switch S1 at time t_1 has the consequence that the energy stored in the magnetic field of the coil L1 is discharged via the diode D1 and the LEDs or the capacitor C1.
  • the current i_L continues to flow in the same direction, but decreases continuously and can even reach a negative value.
  • a negative current (i.e., reverse current flow) can be achieved when coil L1 demagnetizes. This is present as long as the charge carriers, which were previously enriched in the conducting-poled diode D1, are eliminated from the barrier layer of the diode D1.
  • the current iLED decreases only weakly and is maintained because the capacitor C1 has a smoothing effect. At time t_2, so if the
  • a reclosing time t_3 for the switch S1 can be given if the current i_L falls below a predetermined minimum value.
  • a switch-on time t_3 for the switch S1 can also be given when the current i_L reaches the zero crossing, or at least the vicinity of the zero crossing. At this time, the coil L1 is not or
  • the switch S1 can be turned on at this time with very low losses, since hardly any current flows through the coil L1. Since according to the invention, the switch S1 preferably with a fixed
  • the duty cycle due to the control loop is to be selected so that the current through the LED by the desired nominal value of the LED current oscillates.
  • the switch S1 can be controlled by the control / regulating unit SR such that it is regulated by the LED to a predetermined nominal value of the current iLED.
  • the sensor unit SE1 is arranged in series with the switch S1 and detects the current flow through the switch S1. This serves to monitor the flow of current through the switch S1. If the current flow through the switch S1 exceeds a certain maximum reference value, the switch S1 is turned off.
  • the further sensor unit SE1 can be, for example, a measuring resistor (shunt), as shown later as measuring resistor RS in the examples of FIGS. 3 to 5.
  • Measuring resistor (shunt) RS are tapped and compared for example by means of a comparator with a reference value. If the voltage drop at the measuring resistor (shunt) RS exceeds a certain value, the switch S1 is switched off. The monitoring by means of
  • Sensor unit SE1 can be used additionally or alternatively to the sensor unit SE2 for determining the switch-on ratio of the switch S1. It can also be used as protection of the switch S1 against overcurrents in the event of a fault (in such a case, the switch S1 can be opened immediately). As already mentioned, the sensor unit SE2 can serve to detect an advantageous switch-on ratio for switch S1.
  • the current i_L through the LED by means of
  • the current iLED through the LED or alternatively the current i_L through the coil L1 can also be detected, for example, by means of a Hall sensor.
  • the sensor unit SE2 is a series of the LED-connected transformer with a primary winding T1) and a secondary winding T2.
  • a measuring element RM is arranged in series with the secondary winding T2, so that a secondary circuit is formed, wherein in the
  • Secondary winding T2 a defined current is fed and at least one measurement takes place on the secondary side.
  • the monitoring of the temporal voltage curve on the secondary side T2 allows a statement about the advantageous turn-on ratio of the switch S1. Since this measurement of a DC current is made possible, no hysteretic control must be used, but it can also be applied to a control loop, in which only a measured value of the LED current iLED is evaluated as the actual size.
  • the control unit SR can control the switch S1 such that the LED current iLED is regulated to a predetermined value.
  • the control unit SR uses the information from the sensor unit SE1 and / or the sensor unit SE2 to determine the
  • the control for adjusting the current through the LED by the control unit / control unit SR thus takes place in the form of a PWM control.
  • the regulation of the (time-averaged) LED power by the control unit / control unit SR for adjusting the brightness LED is preferably carried out in the form of low-frequency pulse packets (PWM packets).
  • the frequency of the low-frequency PWM packets is typically of the order of 100-1000 Hz.
  • the control unit SR controls the switch S1 so that the current (iLED) is controlled by the LED to a predetermined value and to set the brightness of the LED respectively low-frequency PWM packets of adjustable width are generated,
  • the turn-on time of the switch S1 results from the average value of the current through the LED during a low-frequency PWM packet, and at the beginning of a next low-frequency PWM packet, the turn-on time of the switch S1 becomes a duty value in addition to the value resulting from the control loop Turn-on time increased.
  • the value of the current (iLED) through the LED can be determined by means of a measurement of the current flowing through the switched-on switch S1.
  • the value of the current (iLED) through the LED with can also help one
  • Measurement of the voltage drop across the LED can be determined.
  • the turn-on time can be increased by the turn-on value until the nominal amplitude of the low-frequency PWM packet has been almost or completely reached.
  • a predetermined number of one or more high-frequency pulses with an impact value can be increased, in which case the number of applied pulses may depend on the brightness value and / or the distance to the nominal value.
  • the increase of the switch-on time by an impact value can, for example, also take place only at low brightness values.
  • the impact value can be added when reaching the
  • the impact value may additionally or alternatively also to others
  • Times within a low-frequency PWM packet can be added or subtracted, for example, it can be at the end of a
  • the control unit SR can be formed by a microcontroller which has only a limited resolution for generating PWM signals (for example for the output of high-frequency pulses).
  • Control unit SR controls the switch S1 so that the LED current (iLED) is controlled to a predetermined value and for adjustment the brightness of the LED each low-frequency PWM packets of adjustable width can be generated.
  • the turn-on time of the switch S1 results from a control loop which is intended to maintain the current through the LED at a nominal value during a low-frequency PWM packet, and at the beginning of a next low-frequency PWM packet the turn-on time of the switch S1 is increased by an additional value increases from the control loop resulting value of the switch-on time.
  • a method is also provided for operating at least one LED, to which a DC voltage or rectified AC voltage is supplied, in which the switch S1 provides a supply voltage for at least one LED, whereby when the switch S1 is energized in a coil L1, an energy is stored, which is at
  • a control unit SR the switch S1 controls such that the LED current (iLED) is controlled to a predetermined value and for adjusting the brightness of the LED each low-frequency PWM packets of adjustable width are generated , wherein the turn-on ratio of the switch S1 results from a control loop for the current through the LED and the frequency of the switch S1 is constant, and at the beginning of a low-frequency PWM packet, the turn-on time of the switch S1 by an additional value in addition to that from the control loop resulting value of the switch-on time is increased.
  • Figs. 3 (3a and 3b).
  • an operating circuit for at least one LED is shown, to which a DC voltage or rectified AC voltage is supplied, and which provides a supply voltage for at least one LED by means of a coil L1 and a clocked by a control / regulating unit SR switch S1.
  • a control / regulating unit SR switch S1 When the switch S1 is in the coil L1, an energy buffered, which turns off when switch S1 at least one LED discharges.
  • the operation circuit can be controlled so that the control unit SR determines the duty ratio of the switch S1 depending on the measurement of the current iLED by the LED.
  • the control / regulation unit SR can determine the current through the LED by means of a series-connected to the LED transformer with a primary winding T1 and a secondary winding T2. It can the
  • Control / SR unit feed a rising current in the secondary winding T2 of the transformer. This is preferably done by a current source loff arranged in the control / regulation unit SR.
  • the control unit SR can monitor the voltage across the secondary winding T2 of the transformer via an analog-to-digital converter ADC. Thus, the current is measured by the LED iLED by means of a sensor unit SE2 using a transformer.
  • the defined current which is fed into the secondary winding T2 by the current source loff, may be a triangular current.
  • the defined current which is fed into the secondary winding-T2 by the current source loff, can also be a triangular current with a fixed DC component DC offset.
  • the defined current which is fed into the secondary winding T2 by the current source loff can also be, for example, a DC reference current having a fixed amplitude, to which an AC voltage component having a defined value
  • the defined current may have a different stability, this may in particular be the case when saturation in the secondary winding T2 is reached.
  • different signal forms may be advantageous for the defined current, and the method for evaluating the measurement on the secondary side may be adapted to the type of current source loff used.
  • a current measurement is made possible by the very accurate monitoring of a current can be determined, wherein the current can also be a direct current. In this case, this current measurement can be carried out such that a potential separation between the current path to be measured and the measuring evaluation circuit (T2 and SR) is given.
  • the current to be measured (which, as already mentioned, may also be a direct current) has an amplitude which exceeds that
  • Saturation current of the transformer is located, preferably the current to be measured is significantly higher than the saturation current of the transformer to ensure a reliable measurement.
  • the transformer is operated in saturation when the current to be measured with a corresponding amplitude flows through the transformer (i.e., through the primary winding T1).
  • fed current corresponds to the primary side monitored stream.
  • the secondary winding T2 goes into Saturation, which can be recognized by a secondary-side monitoring (for example via the measurement at the resistor RM).
  • a detectable increase in the voltage drop across the resistor RM would occur across the resistor RM as soon as the secondary winding T2 saturates.
  • the primary winding T1 forms a first energy storage element, wherein a current flows through the LED and through the primary winding T1 as a first energy storage element, wherein the primary winding T1 as the first
  • Energy storage element is coupled. If the primary winding T1 as the first energy storage element due to the current through the LED has reached its maximum energy storage capacity (ie in saturation), and in secondary winding 12 as the second energy storage element, a defined current is fed with preferably increasing amplitude, so the time be recognized, to which the first
  • Energy storage element again achieved an energy storage capability, ie the primary winding T1 leaves the state of saturation.
  • a control unit SR can monitor the voltage across the secondary winding T2 via an analog-to-digital converter ADC, for example at the measuring point C3 on the resistor RM. Instead of an analog-to-digital converter ADC, however, the measurement can also take place, for example, by means of a comparator. Once the monitored voltage a the
  • Comparator fed reference voltage can so
  • the transformer is no longer in saturation due to the LED current on the primary side.
  • the difference between the two embodiments according to FIG. 3 a and FIG. 3 b is that in the example according to FIG. 3 a the control unit SR has only one terminal C2 for the supply of the defined one Current in the secondary winding T2 and the monitoring of
  • control unit SR is designed such that it can both supply a current via the same connection (by means of the integrated current source loff as well as simultaneously
  • Voltage at the terminal C2 can monitor (by means of an analog-to-digital converter ADC), so as to perform the measurement on the secondary winding T2.
  • control unit SR is designed such that it can flow through a first terminal C2 in the
  • Secondary winding T2 can feed (by means of the integrated current source loff) and by means of the terminal C3, the voltage across the resistor RM can monitor (by means of an analog-to-digital converter ADC), so as to perform the measurement on the secondary winding T2.
  • Measured values are recorded within a given time interval and evaluated together.
  • the voltage across the resistor RM can be detected at the time when it is determined that the transformer is no longer due to the LED current on the primary side is in saturation or is again in saturation.
  • the maximum peak value of the voltage across the resistor RM which is reached when the current fed into the secondary winding T2 reaches its maximum value, can also be detected.
  • the monitoring at the terminal C2 can also be done by means of a comparator.
  • a comparator may be preferably provided for evaluation, which constantly toggles (ie in particular the reference switches) to both To be able to use flanks of the defined current for monitoring. For example, different references for the rising and falling edge may be provided.
  • the signal can also be monitored and evaluated over time.
  • the time duration can be monitored until it is determined that the transformer is no longer in saturation due to the LED current on the primary side.
  • the reference of the comparator can for example also be specified by a digital-analog converter.
  • the control unit SR can perform the measurement of the current such that the defined current is fed to the secondary winding T2 by the current source loff only during the switch-off phase of the switch S1.
  • the control unit SR can measure the current iLED through the LED (by means of the voltage across secondary winding 12) during the
  • the current can be measured by the LED by means of a sensor unit SE2 by means of a transformer.
  • the sensor unit SE2 can also be a Hall sensor, in particular be formed by mutually coupled elements of a Hall sensor.
  • FIGS 4 and 5 show specific embodiments of the invention.
  • FIG. 4 shows a modification of the circuit in FIG. 3 in that, in addition, a second switch S2 is arranged parallel to the LEDs and the capacitor C1.
  • the switch S2 is selectively / independently controllable and may for example be a transistor. If the switch S2 is closed, the discharge process of the capacitor C1 is accelerated. Due to the accelerated discharge of the capacitor C1 is achieved that the
  • the switch S2 may be activated and driven at a low dimming level where the low frequency PWM packets are very short and it is important that the current through the LED rapidly approaches zero at the end of a low frequency PWM packet.
  • a low dimming level can be achieved by suitable control of the switch S2.
  • Another function of this switch S2 is that it bridges the LEDs when switched on. This is necessary, for example, when the LEDs are to be switched off, ie, to emit no light, but the supply voltage U0 is still present. Without the bridging by the switch S2, a (smaller) current across the LEDs and the
  • Resistors R1 and R2 flow and the LEDs (slightly) light up.
  • Embodiments of the invention can be applied.
  • inventive method can of course be applied to other circuit topologies, such as for a so-called buck-boost converter, a half-bridge converter or a so-called forward converter (Durchflußwandler).
  • FIG. 5 shows a modification of the circuit of Figure 2a in that the arrangement of the inductor L1, the diode D1 and the orientation of the LED track is modified.
  • the circuit shown represents a so-called.
  • Buck-boost converter also referred to as inverter circuit, is.
  • a transformer with a primary winding T1 and a secondary winding T2 is arranged in series with the LED.
  • a measuring element RM is arranged in series with the secondary winding T2, so that a secondary circuit is formed, wherein in the secondary winding T2, a defined current is fed and at least one measurement takes place on the secondary side for monitoring the LED current iLED.
  • Fig. 6 shows a section of an operating circuit for at least one LED analogous to the circuits of the previous examples.
  • Such an operating circuit typically drives at least one LED to which a DC voltage or rectified AC voltage is applied, and which provides a supply voltage for at least one LED by means of a coil L1 and a switch S1 clocked by a control unit SR, with switch S1 in the Coil L1 is cached an energy that discharges when switched off switch S1 via at least one LED, wherein in series with the LED on
  • Transformer having a primary winding T1 and a secondary winding T2 is arranged, and a measuring element RM is arranged in series with the secondary winding T2, so that a secondary circuit is formed, wherein in the
  • Secondary winding T2 a defined current is fed and at least one measurement takes place on the secondary side.
  • the defined current IM is fed to the secondary winding T2 through a current source loff, which is connected to the secondary winding T2.
  • the measuring element may be a resistor RM (eg a current measuring shunt). By means of the measurement, the current iLED on the secondary side can be determined by the " LED.
  • the defined current IM which is fed to the secondary winding T2 as the coupled winding, may be a triangular current.
  • the time can be detected when the injected triangular current exceeds the current iLED through the LED.
  • This time can be detected by a voltage monitoring or measurement on the secondary winding T2 as a coupled winding.
  • Delta current reaches a value that the transformer stops due to the LED current iLED on the primary side is in saturation.
  • This time can be detected by a voltage monitoring or measurement on the secondary winding T2 as a coupled winding. Based on the detected time can be closed on the amount of current iLED through the LED.
  • the winding ratio of the transformer can be taken into account when determining the current.
  • the winding ratio of the transformer is one to one (1: 1).
  • the transformer may form the sensor unit SE2.
  • the sensor unit SE2 can also be a Hall sensor, in particular the sensor unit SE2 can be formed by elements of a Hall sensor which are coupled to one another.
  • a capacitor C1 may be disposed in parallel with the at least one LED, and maintains the current iLED through the LED during the phase of demagnetization of the coil L1, so that the current iLED is smoothed by the LEDs.
  • a switch S2 may be arranged in parallel to the capacitor C1 and the LEDs and be independently controllable. The switch S2 can be closed to accelerate the discharging operation of the capacitor C1.
  • a control unit SR can monitor the voltage across the secondary winding T2 via an analog-to-digital converter ADC.
  • the mutually coupled energy storage elements thus form the sensor unit SE2 and can be formed by magnetically coupled windings of a transformer T1, T2.
  • the switching regulator circuit forms an operating circuit for at least one LED.
  • FIG. 7 shows an exemplary measurement sequence for an LED illumination with three independent LEDs.
  • the LEDs are each fed by an operating circuit.
  • the LED current (iLED) is set to one for all three channels
  • Fig. 7 shows in the upper part the current through the first LED (fed by a first operating circuit) and below the current through the switch S1 of the first operating circuit. Below this is shown an exemplary sequence of low-frequency PWM packets for three LEDs each driven by an operating circuit and also the sequence of the measurements is indicated by the hatched blocks.
  • the current through the LED is preferably measured during the half of the switch-on time of the switch S1.
  • Switching ratio and the frequency can be determined due to this measurement of the average current through the LED.
  • the switch-on time of the switch (S1) results from the averaged value of the current through the LED during a low-frequency PWM packet and the subsequent low-frequency PWM packets are sent with the
  • Switching ratio driven as determined by the measurement during the previous low-frequency PWM packet.
  • the value of the required switch-on ratio can also be used for several reasons
  • low-frequency PWM packets are maintained, for example, if not measured at each low-frequency PWM packet. This may for example be the case when the same input of a
  • Control unit SR is used for measuring the currents at several LEDs. In the example of Fig. 7, the three are sequentially
  • the first LED (LF PWM Channel 1) then the second LED (Channel 2), then the third LED (LF PWM Channel 3) and then the first LED is monitored during a low-frequency PWM packet.
  • the LED current is measured and evaluated for a certain time at the end of a low-frequency PWM packet. In this case, at least the period of N high-frequency pulses (for example, 16) for measuring the current can be used for each packet.
  • the switch-on time of the switch (S1) is now increased by an impact value which is added in addition to the value of the switch-on time resulting from the control loop.
  • FIGS. 9 and 8 shows the control according to the invention of the switch S1 by the control unit SR, as shown for example in FIGS.
  • the control unit SR controls the first switch S1 with a dimming signal, wherein the dimming signal is generated by a combination of a low-frequency signal and a high-frequency signal.
  • the low-frequency signal may be at a first output (PWM_LF) and the high-frequency signal at a second output (PWM_HF)
  • Control unit SR are output.
  • the first output (PWM_LF) and the second output (PWM_HF) can be linked via a coupling element.
  • the coupling element can be formed by an ohmic resistor (resistor).
  • the second output (PWM_HF) can be designed as an open collector output within the control unit SR.
  • the low-frequency signal is a pulsed, in particular PWM signal, in particular in the range of about 100 Hz.
  • the high-frequency signal is a pulsed, in particular PWM signal,
  • the dimming signal via which the brightness of the LED is adjusted, is thus formed from pulse packets, preferably as a resulting PWM signal, the pulse packets being interrupted by longer pauses.
  • the dimming signal via the control of the switch S1 is the
  • the dimming signal can be dependent on a brightness preset from outside, for example by a user.
  • This brightness specification can be supplied by the
  • low-frequency signal can be influenced.
  • the low-frequency signal may be dependent on the desired dimming level of the LED.
  • the low-frequency signal may also be from another integrated control circuit, such as a microcontroller, as central controller is arranged to be specified (HL) and looped through only by the control unit SR.
  • the low-frequency signal can also be specified by a further microcontroller, which is arranged as a central controller, and does not necessarily have to be output or looped through by the control unit SR.
  • the high-frequency signal may be dependent on the current and / or the voltage through the LED.
  • the high-frequency signal is dependent on a control loop, wherein depending on at least one predetermined setpoint value for a current and / or a voltage within the operating circuit and the comparison with an actual value at least the first switch S1 is clocked by a high-frequency control.
  • the control loop wherein depending on at least one predetermined setpoint value for a current and / or a voltage within the operating circuit and the comparison with an actual value at least the first switch S1 is clocked by a high-frequency control.
  • the switch S1 is switched on and off depending on the set duty cycle. Regardless of the current brightness of the LED, this control loop does not necessarily have to be taken into account.
  • the turn-on time of the high-frequency signal is temporarily increased by an impact value, for example, as long as the nominal value of the LED current is not reached or after the onset of a high level of the low-frequency signal.
  • the invention provides the advantage that the control loop for the regulation of the current through the LED can be decoupled from the specification of the brightness and still a control of the switch via a single drive signal is possible (the link from the high-frequency signal of the control loop with the low-frequency signal for the brightness is externally linked to the control unit SR).
  • the control unit SR can be formed by a microcontroller, FPGA, PAL or even an application-specific integrated circuit.
  • the control according to the invention is not based on the topology or
  • this invention can be applied to a buck converter, boost converter, buck-boost converter, isolated flyback converter, cuttlefish converter, or other topologies and circuitry.
  • the invention relates generally to operating circuits for at least one LED, which are supplied by means of a switching regulator via a clocked first switch S1, wherein the frequency and / or the duty cycle of the clocked switch S1, the current is influenced by the LED, and the frequency and / or the duty cycle of the clocked switch S1 is predetermined by a control unit SR by means of a dimming signal as a drive signal, wherein the dimming signal is generated by a combination of a low-frequency signal and a high-frequency signal.
  • the low-frequency signal (LF) and the high-frequency signal (HF) are preferably linked via a coupling element.
  • the control unit SR can output both the low-frequency signal at a first output (PWM_LF) and the high-frequency signal at a second output (PWM_HF).
  • control units SR of the individual operating circuits can be controlled by a common microcontroller. It would also be possible, the function of the central control of the individual
  • the microcontroller can be controlled via an interface (wireless or wired). In this case, control signals for adjusting the brightness or color or status information can be transmitted via the interface.
  • a method for driving at least one LED is made possible, wherein the control unit SR the switch S1 with a dimming signal drives, and wherein the dimming signal is generated by an external combination of a low-frequency signal and a high-frequency signal.
  • FIG. 0c shows an advantageous implementation of the method according to the invention. This method is used to control an electrical
  • a high-frequency PWM signal is used with adjustable in discrete steps duty cycle.
  • Switching regulator is used with at least one active clocked switch such as a buck converter, and the power supplied to the LED or the current is set by the setting of the duty cycle of the active clocked switch. To achieve the predetermined current or power value, the duty cycle is dependent on exceeding or falling below the predetermined current or power value
  • predetermined current or power value is a repeated change between the two steps of the discretely variable Einschaltrise, which occur due to the control loop, wherein the repeated change takes place according to a predetermined pattern.
  • the duty cycle is set such that the instantaneous average does not match the value of the desired average reached.
  • This situation can occur with limited resolution of the possible switch-on time both in an open loop operation and in a closed loop control mode.
  • An increase in the switch-on time may, with a limited resolution of the possible switch-on time, result in an increase of the switch-on time by one step exceeding the desired value for the LED current ILED (shown in FIG. 10b).
  • the limited resolution of the possible turn-on time it may not be possible to achieve the desired average value for the LED current.
  • FIG. 10c A solution according to the invention for the problem described with reference to FIGS. 10a and 10b is shown by way of example in FIG. 10c.
  • the first switch S1 is preferably regulated in such a way that, based on the setting of the switch-on ratio at a fixed frequency, the switch S1 is activated such that an average value of the LED current ILED which corresponds to the predetermined desired value is established.
  • the high-frequency control (by means of a high-frequency signal) of the switch S1 can thus be dependent on the current and / or the voltage through the LED.
  • the high-frequency control of the switch S1 is dependent on a control loop, wherein depending on at least one predetermined setpoint value for a current and / or a voltage within the operating circuit and the comparison with an actual value at least the first switch S1 is clocked by a high-frequency control.
  • the operating circuit can also be in a continuous
  • the switch S1 is switched on and off depending on the comparison of a setpoint with an actual value of the average LED current. If it is now determined that despite the control loop, the desired target value can not be achieved, but only an average in the vicinity of the setpoint, then a repeated change between the two
  • the repeated change takes place according to a predeterminable pattern.
  • the predefinable pattern can be selected, for example, by the distance between the desired value and the current actual value. It can, for example, at least temporarily operation only with a
  • Mean value are determined to the predetermined setpoints and depending on the pattern for the change of the duty cycle are adjusted.
  • a higher number of the higher switch-on time (or switch-on ratio) can be selected if it is determined that the operating average above the desired setpoint value is located closer to the setpoint value than the resulting average value during operation below the desired value during operation above the desired setpoint value
  • the change can be changed, that is, it can be the number of successive steps with the same switch-on can be changed.
  • the resulting average of the on-time is
  • the control unit SR can know the ratio of the switch-on time and the resulting LED current or in an initialization phase and, for example, in a value table or by means of a function to determine the dependence of the LED current on the switch-on time or the duty cycle is stored.
  • the corresponding value for the switch-on time or the switch-on ratio can then also be selected based on the LED current to be set by means of the known dependence of the LED current on the switch-on time or the switch-on ratio. If it is now determined that the desired value can not be achieved by an adjustable value of the switch-on time, preferably the necessary number of available next higher and lower values for the switch-on time can be determined and the triggering ng of the switch S1 can be determined with a
  • a change by one LSB of the PWM register of the control unit SR may cause a 32mA change in the LED current.
  • the PWM value X can give an LED current of 380 mA.
  • the next higher PWM value X + 1 can thus produce an LED current of 412 mA.
  • the average current is 392 mA.
  • the default for the current through the LED can be done for example by a specification for the color to be set of the LED module to be operated. Even if the LED lighting system is formed by a plurality of differently colored LEDs (for example, three LED channels as described in the examples) and is used for color mixing, for the
  • Control unit SR can be set if the LED is to be operated accordingly.
  • the determination of the combination to be set from the switch-on times to be set for a low-frequency PWM packet or at least one pulse sequence can also be based on a measurement of the LED current during a preceding low-frequency PWM packet, as this possibility has been explained with reference to FIG.
  • a preferred variant of the method for adjusting the high-frequency signal control of an electrical load preferably a light source, such as, for example, LED or OLED will be explained according to FIG.
  • a pulse signal is used with adjustable in discrete steps on time.
  • the current ILED is controlled by an LED via the setting of a
  • the current ILED desired operating parameters (the current ILED) to achieve.
  • the on time for the pulse signal is increased by a discrete step, the set current ILED is higher than the desired value of the current ILED ( Figure 10b).
  • the pulse signal will go through a combination of two pulse sequences with different switch-on time is formed, wherein these are selected such that the first pulse sequence has a switch-on time which is closest to the specification for reaching the desired operating parameter, and the second pulse sequence in its
  • the detected current would be averaged (integrated) and then compared with a setpoint.
  • ASIC integrated circuit
  • microprocessor microprocessor or hybrid thereof, which is used to carry out such
  • Method is formed. It can be a control gear for bulbs, in particular LEDS or OLEDs are constructed, comprising a
  • a lighting module comprising lighting means, in particular LEDs or OLEDs, as well as an operating device according to the invention.
  • a lighting system comprising at least one lighting module according to the invention, which is connected via a signal line to a central unit, which is designed for the transmission of dimming specifications, in particular according to the DALI standard, be established.
  • the invention can also be applied to a PWM operation, where the adjustment of the brightness by means of low-frequency pulse packets (typically with a frequency in the range of 100- 000 Hz) are controlled with a mean time constant current amplitude, these pulse packets each by a high-frequency control the operating device,
  • a clocked switch S1 in particular a clocked switch S1,. be formed.
  • a low-frequency and a high-frequency control are superimposed.
  • the current within a pulse packet has a high-frequency ripple.
  • the invention can now be used to adjust the amplitude during the high phase of a low frequency PWM packet.
  • a signal which has a duty cycle of 10% for the low-frequency PWM packet.
  • the high-frequency signal for setting the LED current during a low-frequency PWM packet is here also from a
  • the setting of the desired average on-time can be done via a combination be possible from a sequence of pulses with two different on-times only up to a certain number of pulses. If too few pulses are available within a low-frequency PWM packet, it is no longer possible to exactly reach the desired current through the LED since a corresponding combination of on-times is not adjustable. However, it can fall below a certain minimum width of the low-frequency PWM packet in an operating mode
  • Monitoring window for measuring the LED current to be reduced. For example, instead of 16 pulses, only 8 pulses can be measured (with reference to FIG. 7)
  • Fig. 11b An example of such an operating mode is shown in Fig. 11b.
  • this mode individual pulses of the on-time to be selected can be omitted since the possible counting of the pulses is limited.
  • such an operation can take place that within a low-frequency PWM packet a pulse of the higher switch-on time is omitted and in the subsequent low-frequency PWM packet a pulse of the lower switch-on time is omitted.
  • the self-adjusting LED current can be averaged out again.
  • Charging value for the switch-on can be set or the tuning of the pulse train can be done with pulses with different on-time.
  • the basis is the well-known generation of a PWM pulse sequence shown in FIG. 12 for setting the color location on the basis of the light emitted by a light source by changing the pulse width of the pulses of the pulse sequence and thus of their duty cycle.
  • a PWM pulse sequence shown in FIG. 12 for setting the color location on the basis of the light emitted by a light source by changing the pulse width of the pulses of the pulse sequence and thus of their duty cycle.
  • a central digital control signals generated (or otherwise generates control signals) from which by means of a microprocessor provided on the receiving side, a pulse train for control
  • pulse width modulated pulses which ultimately serve to adjust the brightness of the light emitted by the light source.
  • the change in the duty cycle of the PWM pulses is carried out according to the resolution of the microprocessor in discrete steps.
  • the resolution for example between 10 and 14 bits, may be less than the resolution of the dimming preset value, if this is digital or analog (quasi infinitely fine resolution).
  • FIG. 12 shows, by way of example, the setting of the duty cycle of FIG
  • Lamp groups here for the colors red, green and blue. In this way, any color can be set in RGB space.
  • the pulse width is set accordingly for each of the lighting groups.
  • FIG. 13 shows a detail of a pulse train according to the invention with a pulse repetition frequency of, for example, 100 Hz (1 / T). ,
  • Dimming control of an electrical load preferably one
  • Illuminant such as. LED or OLED
  • the illuminant has at least two independently controllable groups of bulbs that differ in their color reproduction or in their color spectrum. To achieve a dimming default value for a
  • the lamp is controlled with PWM signals with discrete steps adjustable duty cycle.
  • PWM signals with discrete steps adjustable duty cycle.
  • at least one successive low-frequency PWM packets can be combined for at least one group of lamps, and thus instead of the sequence of low-frequency PWM packets, only one combined low-frequency PWM packet is generated, to which then one or more subsequent low-frequency PWM packets are omitted ,
  • the switch-on time of the switch (S1) may be changed to the next higher or lower adjustable switch-on time after several pulses of adjustable switch-on time and the remaining pulses output with this changed switch-on time, as described with reference to FIGS. 10 and 11 ,
  • the individual groups of lamps can each of one
  • Driver circuit can be controlled, preferably a common control circuit can influence the control of the individual groups of lamps or regulate.
  • a combined low-frequency PWM packet is preferably generated when the pulse width of a low-frequency PWM packet is less than a predetermined minimum portion of the possible pulse width of a low-frequency PWM packet, for example half the maximum possible pulse width of a low-frequency PWM packet.
  • the combined low-frequency PWM packets can be output offset from one another, so that at the same time a omitted low-frequency PWM packet for a lighting group
  • Illuminant group is generated.
  • the position of the combined low-frequency PWM packets may be changed periodically or randomly within the group.
  • the dimming default value can be digital.
  • the pulse repetition frequency can be chosen to be high enough to allow the generation of the combined low-frequency PWM packets
  • the frequency of the PWM pulses can also be selected higher than 200 Hz. In this way, the existing hardware for controlling
  • Lamps are optimally utilized for a color mixture and existing limitations can thus be overcome.
  • the variation of the pulse width does not always have to be in the direction of larger values, but can also be done in the other direction.

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

Abstract

Betriebsschaltung für wenigstens eine LED, bei der durch getakteten Schalter (S1) eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter (S1) in einer Spule (L1) eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1) über wenigstens eine LED entlädt, und eine Steuer/Regeleinheit (SR) den Schalter (S1) derart ansteuert, dass der LED Strom (iLED) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der Helligkeit der LED jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt werden, gekennzeichnet dadurch, dass während eines niederfrequenten PWM-Paketes die Einschaltzeit des Schalters (S1) nach mehreren Pulsen einer einstellbaren Einschaltzeit auf die nächst höher oder niedriger einstellbaren Einschaltzeit geändert wird und die restlichen Pulse mit dieser geänderten Einschaltzeit ausgegeben werden, so dass die Anzahl der Pulse mit den beiden eingestellten Einschaltzeiten ein bestimmtes Verhältnis annehmen und sich ein gemittelter Wert des Stromes durch die LED ergibt, der der Vorgabe durch einen Sollwert entspricht und bei Unterschreiten eines bestimmten Helligkeitswertes und somit einer bestimmten Breite des niederfrequenten PWM-Paketes einzelne Pulse der einen eingestellten Einschaltzeit weggelassen werden und somit das Verhältnis der Anzahl der Pulse mit den beiden eingestellten Einschaltzeiten im Vergleich zum Betrieb bei gleichem LED Strom während eines niederfrequenten PWM-Paketes höherer Breite abweicht.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN VON WENIGSTENS EINER LED MITTELS DITHERING
Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung mit Leuchtdioden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , ein Verfahren zum Betreiben von Leuchtdioden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Betreiben von Leuchtdioden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Technisches Gebiet 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.
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.
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).
Der Strom durch die LED Anordnung zeigt einen zickzackförmigen zeitlichen Verlauf: bei eingeschaltetem Schalter zeigt der LED-Strom eine ansteigende Flanke, bei ausgeschaltetem Schalter ergibt sich eine abfallende Flanke.
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.
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.
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) PWM-Pakete mit (im zeitlichen Mittel) konstanter
Stromamplitude zugeführt. Dem Strom innerhalb eines niederfrequenten PWM-Pakets ist der oben angeführter hochfrequente Rippel überlagert. Die Helligkeit der LEDs kann nun durch die Zeitdauer oder die Wiederholfrequenz der niederfrequenten PWM-Pakete gesteuert werden; die LEDs können beispielsweise gedimmt werden, indem die Breite der niederfrequenten PWM- Pakete oder der zeitliche Abstand zwischen den niederfrequenten PWM-
Paketen vergrößert wird. Generell ist anzumerken, dass die niederfrequenten PWM-Pakete eine Form von niederfrequenten Pulspaketen darstellen, und die Änderung der Helligkeit über verschiedene bei Pulsmodulationen anwendbare Veränderungen möglich ist (Pulsdauer, Pulsbreite, Pulsfrequenz usw.).
Eine praktische Anforderung an das Betriebsgerät ist, däss 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 während des Betriebs ändern, wenn beispielsweise eine LED ausfällt.
Auch bei herkömmlichen Technologien werden die LEDs in einem
sogenannten 'confinuous conduction mode' betrieben. Dieses Verfahren sei anhand von Figur 1 a und Figur 1 b 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 U0 versorgt. Die bekannten Schaltungen benötigen zum Erreichen eines möglichst konstanten Stromes oft aufwändige Mess-Schaltungen, um den Strom durch die LED während der Ausschaltphase zu messen, beispielsweise kann dies durch eine Spannungsmessung über der LED erfolgen, woraus auf den Strom geschlossen wird. Dafür ist aber eine Differenzspannungsmessung auf hohem Potential notwendig.
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 1 b abgebildet (Stand der
Technik), Dabei sind zwei Pulspakte des PWM dargestellt. Der Stromverlauf innerhalb eines niederfrequenten PWM-Pakets ist zudem vergrößert dargestellt. Aus Gründen der Farbkonstanz soll innerhalb eines
niederfrequenten PWM-Pakets die Amplitude des Rippeis 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 einen bestimmten minimalen Referenzwert unterschreitet und der Schalter ausgeschaltet wird, wenn der Sitrom einen maximalen Referenzwert überschreitet. Der Ein- und Ausschaltzeitpunkt kann aber beispielsweise auch abhängig von einem erfassten Mittelwert eingestellt werden.
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- leistung ermöglicht.
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.
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 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.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wählt die Steuer/Regeleinheit den Einschaltverhältnis des Schalters so, dass der Stromfluss durch die
wenigstens eine LED möglichst nahe am Nominalwert liegt und vorzugsweise einen möglichst geringen Rippel aufweist.
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.
Eine Steuer/Regeleinheit steuert den Schalter derart an, dass der LED Strom auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der Helligkeit der LED werden jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt (durch die Steuer/Regeleinheit).
Während eines niederfrequenten PWM-Paketes wird die Einschaltzeit des Schalters (S1 ) nach mehreren Pulsen einer einstellbaren Einschaltzeit auf die nächst höher oder niedriger einstellbaren Einschaltzeit geändert und die restlichen Pulse werden mit dieser geänderten Einschaltzeit ausgegeben, so dass die Anzahl der Pulse mit den beiden eingestellten Einschaltzeiten ein bestimmtes Verhältnis annehmen und sich ein gemittelter Wert des Stromes durch die LED ergibt, der der Vorgabe durch einen Sollwert entspricht. Bei
Unterschreiten eines bestimmten Helligkeitswertes und somit einer bestimmten Breite des niederfrequenten PWM-Paketes werden einzelne Pulse der einen eingestellten Einschaltzeit weggelassen und somit weicht das Verhältnis der Anzahl der Pulse mit den beiden eingestellten Einschaltzeiten im Vergleich zum Betrieb bei gleichem LED Strom während eines niederfrequenten PWM- Paketes höherer Breite ab.
Der LED Strom wird auf einen vorgegebenen Wert geregelt und zum
Einstellen der Helligkeit der LED werden jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt.
Die Einschaltzeit des Schalters ergibt sich aus dem gemittelten Wert des Stromes durch die LED während eines niederfrequenten PWM-Paketes. Zu Beginn eines nächsten niederfrequenten PWM-Paketes wird die Einschaltzeit des Schalters um einen Aufschlagwert zusätzlich zu dem sich aus der
Regelschleife ergebenden Wert der Einschaltzeit erhöht.
Es wird auch ein Verfahren zum Betreiben von wenigstens einer LED bereitgestellt, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, bei dem durch einen getakteten Schalter eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt wird, wobei bei eingeschaltetem Schalter in einer Spule eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter über wenigstens eine LED entlädt, und eine Steuer/Regeleinheit den Schalter derart ansteuert, dass der LED Strom auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der Helligkeit der LED jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt werden, wobei sich die Einschaltzeit des Schalters aus einer
Regelschleife ergibt, die den Strom durch die LED während eines
niederfrequenten PWM-Paketes auf einen Nominalwert halten soll, und zu Beginn eines nächsten niederfrequenten PWM-Paketes die Einschaltzeit des Schalters um einen Aufschlagwert zusätzlich zu dem sich aus der
Regelschleife ergebenden Wert der Einschaltzeit erhöht wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der LED Strom jeweils über eine bestimmte Anzahl von Pulseh der hochfrequenten Ansteuerung gemessen werden und bei Unterschreiten einer bestimmten Breite für das
niederfrequente PWM-Paket kann die Dauer der Messung zur Bestimmung des LED Stromes verringert werden, wobei vorzugsweise die Dauer der Messung die Breite des niederfrequenten PWM-Paketes nicht überschreitet.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben von wenigstens einer LED, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, bei dem der durch getakteten Schalter eine
Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter in einer Spule eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter über wenigstens eine LED entlädt, und eine Steuer/Regeleinheit den Schalter derart ansteuert, dass der LED Strom (iLED) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der Helligkeit der LED jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt werden, wobei sich die Einschaltverhaltnis des Schalters aus einer Regelschleife für den Strom durch die LED ergibt und die Frequenz des Schalters konstant ist, und zu Beginn eines niederfrequenten PWM-Paketes die Einschaltzeit des Schalters um einen Aufschlagwert zusätzlich zu dem sich aus der Regelschleife ergebenden Wert der Einschaltzeit erhöht wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Betriebsschaltung eine Sensoreinheit auf, die ein Sensorsignal erzeugt und den Strom durch die LED überwacht.
Erfindungsgemäß verwendet die Steuereinheit ein Signal der Sensoreinheit oder eine Kombination mit dem Signal einer optionalen weiteren Sensoreinheit zur Festlegung des Einschaltverhältnisses des Schalters.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Sensoreinheit durch zwei miteinander gekoppelte Energiespeicherelemente gebildet, beispielsweise durch einen Transformator oder einen Hallsensor.
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.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Figur 1 a zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß dem bekannten Stand der Technik,
Figur 1 b zeigt ein Diagram mit dem zeitlichen Verlauf des LEDstroms in der Schaltungsanordnung von Figur 1a (Stand der Technik).
Figur 2a zeigt ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Betriebsschaltung (Buck) für LEDs. Figur 3a und Figur 3b zeigen spezielle Ausführungsformen der Erfindung. Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung (Buck-Boost).
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur LED
Strommessung
Figur 7 eine grafische Darstellung eines möglichen Signalverlaufes gemäß der Erfindung,
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung
Figur 10 eine grafische Darstellung eines möglichen Signälverlaufes gemäß der Erfindung
Figur 11 eine grafische Darstellung eines möglichen Signalverlaufes gemäß ' der Erfindung
Figur 12 eine grafische Darstellung der Einstellung des Farbortes gemäß dem Stand der Technik
Figur 13 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Einstellung des Farbortes
Figur 1 a und Figur 1 b zeigen den Stand der Technik. Die in Figur 2a dargestellte Schaltungsanordnung dient zum Betrieb von wenigstens einer (oder mehrerer in Serie oder auch parallel geschalteten) 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 geschalteten LEDs werden im Folgenden
zusammengefasst als die LED bezeichnet (oder 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. Die Spule L1 kann auch Teil eines energieübertragenden Transformators sein.
Als Schalter S1 wird vorzugsweise ein Feldeffekttransistor verwendet. Der Schalter S1 wird hochfrequent geschaltet, typischerweise in einem
Frequenzbereich von über 10 kHz.
Gemäß der Erfindung kann der Strom durch die LED gemessen werden und somit auf einem vorgegebenen Wert bzw. in einem vorgegebenen
Wertebereich gehalten werden.
In der Schaltung von Figur 2a ist weiters eine Steuer- und/oder Regeleinheit SR (im folgenden auch als Steuer/Regeleinheit SR bezeichnet) vorgesehen, die zur Regelung der LED-Ieistung oder des LED Stromes iLED die Taktung des Schalters S1 vorgibt. Die Steuer/Regeleinheit SR verwendet zur
Festlegung des Einschaltverhältnisses des Schalters S1 als Eingangsgrößen Signale von einer Sensoreinheit SE1 und zumindest optional Signale von einer weiteren Sensoreinheit SE2. Da die sich die Sensoreinheit SE2 in dem Pfad befindet, wo eine Messung an der LED während der Ausschaltphase des Schalters S1 möglich ist, wird diese Sensoreinheit im folgenden als die
Sensoreinheit SE2 bezeichnet. Die Sensoreinheit SE1 ermöglicht eine
Messung während der Einschaltphase des Schalters S1 und wird deswegen als die Sensoreinheit SE1 bezeichnet. Die Sensoreinheit SE2 ist innerhalb des Stromzweiges, der während der Freilaufphase vom Strom durchflössen wird, angeordnet, vorzugsweise in Serie zur LED oder alternativ auch in Serie zu der Spule L1 (als SE2' gekennzeichnet). Mit Hilfe der Sensoreinheit SE2 direkt oder indirekt der Strom durch die LED bestimmt werden. Die Sensoreinheit SE2 kann auch ein Stromspiegel, Hallsensor oder ein Transformator sein oder es kann auch eine Spannungsmessung an der LED erfolgen.
Die einzelnen Stromverläufe und der optimale Einschaltzeitpunkt des
Schalters S1 sollen nunmehr näher erläutert werden.
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 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.
Ein negativer Strom (d.h. ein Stromfluss mit umgekehrter Richtung) kann erreicht werden, wenn die Spule L1 entmagnetisiert. Dieser 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 aber weiter negativ) und geht gegen null. In dieser Phase werden parasitäre Kapazitäten an der Diode D1 und weitere parasitäre Kapazitäten in der restlichen Schaltung geladen. Ein Wiedereinschaltzeitpunkt t_3 für den Schalter S1 kann gegeben sein, wenn der Strom i_L einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.
Ein Wiedereinschaltzeitpunkt t_3 für den Schalter S1 kann aber auch 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. Da gemäß der Erfindung der Schalter S1 vorzugsweise mit einen fixen
Frequenz und einem variablen Einschaltverhältriis (Tastverhältnis) angesteuert wird, ist das Einschaltverhältnis aufgrund der Regelschleife so zu wählen, dass der Strom durch die LED um den angestrebten Nominalwert des LED Stromes pendelt. Es kann somit der Schalter S1 durch die Steuer/Regeleinheit SR derart angesteuert werden, dass auf einen vorgegebenen Nominalwert des Stromes iLED durch die LED geregelt wird.
Die 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 weiteren Sensoreinheit SE1 beispielsweise um einen Messwiderstand (Shunt) handeln, wie er später als Messwiderstand RS in den Beispielsen der Figuren 3 bis 5 gezeigt ist,.
Zur Überwachung des Stromflusses kann nun der Spannungsabfall am
Messwiderstand (Shunt) RS abgegriffen werden und beispielsweise mittels eines Komparators mit einem Referenzwert verglichen werden. Überschreitet der Spannungsabfall am Messwiderstand (Shunt) RS einen bestimmten Wert, so wird der Schalter S1 abgeschaltet. Die Überwachung mittels der
Sensoreinheit SE1 kann zusätzlich oder alternativ zu der Sensoreinheit SE2 für die Ermittlung des Einschaltverhältnisses des Schalters S1 genutzt werden. Sie kann dabei auch als Schutz des Schalters S1 gegen Überströme im Fehlerfall genutzt werden (in einem derartigen Fall kann der Schalter S1 sofort geöffnet werden). Zur Detektion eines vorteilhaften Einschaltverhältnisses für Schalter S1 kann wie bereits erwähnt auch die Sensoreinheit SE2 dienen. In einer ersten Ausführungsform kann der Strom i_L durch die LED mittels des
Transformators erfasst werden, wie dies auch in der Folge anhand der Fig. 3a und 3 b beschrieben ist.
Der Strom iLED durch die LED oder alternativ der Strom i_L durch die Spule L1 kann auch beispielsweise mittels eines Hallsensors erfasst werden.
Beispielsweise handelt es sich bei der 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 zumindest eine Messung auf der Sekundärseite erfolgt. Die Überwachung des zeitlichen Spannungsverlaufs auf der Sekundärseite T2 ermöglicht eine Aussage über den vorteilhaften Einschaltverhältnisses des Schalters S1. Da durch diese 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. Die Steuer/Regeleinheit SR kann den Schalter S1 derart ansteuern, dass der LED Strom iLED auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.
Die Steuer/Regeleinheit SR verwendet die Information von der Sensoreinheit SE1 und / oder der Sensoreinheit SE2 zur Festlegung des
Einschaltverhältnisses des Schalter S1. Die Regelung zur Einstellung des Stromes durch die LED durch die Steuereinheit/Regeleinheit SR erfolgt somit in Form einer PWM-Regelung. Die Regelung der (zeitlich gemittelten) LED-Ieistung durch die Steuereinheit/Regeleinheit SR zur Einstellung der Helligkeit LED erfolgt vorzugsweise in Form von niederfrequenten Pulspaketen (PWM- Pakete). Die Frequenz der niederfrequenten PWM-Pakete liegt typischerweise in der Größenordnung von 100 - 1000 Hz. Der Schalter S1 selbst wird daher vorzugsweise während der niederfrequenten PWM-Paketen mit einer deutlich höheren Frequenz als die niederfrequenten PWM-Pakete ein- und
ausgeschaltet und außerhalb der niederfrequenten PWM-Paketen nicht angesteuert.
Die Steuer/Regeleinheit SR steuert den Schalter S1 derart an, dass der Strom (iLED) durch die LED auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der Helligkeit der LED jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt werden,
Die Einschaltzeit des Schalters S1 ergibt sich aus dem gemittelten Wert des Stromes durch die LED während eines niederfrequenten PWM-Paketes und zu Beginn eines nächsten niederfrequenten PWM-Paketes wird die Einschaltzeit des Schalters S1 um einen Aufschlagwert zusätzlich zu dem sich aus der Regelschleife ergebenden Wert der Einschaltzeit erhöht.
Der Wert des Stromes (iLED) durch die LED kann mit Hilfe einer Messung des Stromes, der durch den eingeschalteten Schalter S1 fließt, bestimmt werden. Der Wert des Stromes (iLED) durch die LED mit kann auch Hilfe einer
Messung der über der LED abfallenden Spannung bestimmt werden.
Die Einschaltzeit kann solange um den Aufschlagwert erhöht werden, bis die nominale Amplitude des niederfrequenten PWM-Paketes nahezu oder vollständig erreicht worden ist. Es kann eine vorgegebene Anzahl von einem oder mehreren hochfrequenten Pulsen mit einem Aufschlagwert erhöht werden, dabei kann die Anzahl der beaufschlagten Pulse vom Helligkeitswert und / oder dem Abstand zum Nominalwert abhängen. Die Erhöhung der Einschaltzeit um einen Aufschlagwert kann beispielsweise auch nur bei niedrigen Helligkeitswerten erfolgen.
Der Aufschlagwert kann hinzugefügt werden, wenn bei Erreichen der
Einschaltzeit, die sich aus der Regelschleife ergibt, die nominale Amplitude des niederfrequenten PWM-Paketes nicht erreicht wurde.
Der Aufschlagwert kann zusätzlich oder alternativ auch zu anderen
Zeitpunkten innerhalb eines niederfrequenten PWM-Paketes hinzugefügt oder auch abgezogen werden, beispielsweise kann er am Ende eines
niederfrequenten PWM-Paketes abgezogen werden, um die abfallende Flanke des niederfrequenten PWM-Paketes zu beeinflußen. Auf diese Weise kann auch eine Farbkorrektur mittels der derart angesteuerten LED erfolgen oder auch ein Flackern oder andere visuelle Effekte, ein Über- oder
Unterschwingen oder auch die elektromagnetische Verträglichkeit oder Störaussendung vermieden oder verringert werden.
Die Steuer/Regeleinheit SR kann durch einen Microcontroller gebildet Werden, der nur eine begrenzte Auflösung zur Erzeugung von PWM-Signalen besitzt (beispielsweise zur Ausgabe von hochfrequenten Pulsen).
Somit kann auch eine LED-Beleuchtungseinheit aufgebaut werden,
aufweisend mehrere unabhängig voneinander ansteuerbare LEDs, wobei die LEDs jeweils durch eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung angesteuert werden.
Es wird auch Verfahren zum Betreiben von wenigstens einer LED ermöglicht, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, bem der durch getakteten Schalter S1 eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter S1 in einer Spule L1 eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei
ausgeschaltetem Schalter S1 über wenigstens eine LED entlädt. Eine
Steuer/Regeleinheit SR steuert den Schalter S1 derart an, dass der LED Strom (iLED) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der Helligkeit der LED jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt werden. Die Einschaltzeit des Schalters S1 ergibt sich aus einer Regelschleife, die den Strom durch die LED während eines niederfrequenten PWM-Paketes auf einen Nominalwert halten soll, und zu Beginn eines nächsten niederfrequenten PWM-Paketes wird die Einschaltzeit des Schalters S1 um einen Aufschlagwert zusätzlich zu dem sich aus der Regelschleife ergebenden Wert der Einschaltzeit erhöht.
Es wird auch Verfahren zum Betreiben von wenigstens einer LED ermöglicht, der eine Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, bei dem der durch getakteten Schalter S1 eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter S1 in einer Spule L1 eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei
ausgeschaltetem Schalter S1 über wenigstens eine LED entlädt, und eine Steuer/Regeleinheit SR den Schalter S1 derart ansteuert, dass der LED Strom (iLED) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der Helligkeit der LED jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt werden, wobei sich das Einschaltverhältnis des Schalters S1 aus einer Regelschleife für den Strom durch die LED ergibt und die Frequenz des Schalters S1 konstant ist, und zu Beginn eines niederfrequenten PWM- Paketes die Einschaltzeit des Schalters S1 um einen Aufschlagwert zusätzlich zu dem sich aus der Regelschleife ergebenden Wert der Einschaltzeit erhöht wird. 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 Steuer/Regeleinheit 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 Steuer/Regeleinheit SR das Einschaltverhältnis des Schalters S1 abhängig von der Messung des Stromes iLED durch die LED bestimmt. Dabei kann die Steuer/Regeleinheit 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
Steuer/Regeleinheit SR einen ansteigenden Strom in die Sekundärwicklung T2 des Transformators einspeisen. Vorzugsweise erfolgt dies durch eine in der Steuer/Regeleinheit SR angeordnete Stromquelle loff. Die Steuer/Regeleinheit 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 iLED mittels einer Sensoreinheit SE2 anhand eines Transformators.
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-Referenzstrom mit fixer Amplitude sein, dem ein Wechselspannungsanteil mit definierter
Amplitude und Frequenz überlagert wird.
Es ist anzumerken, dass abhängig von der Art und Qualität der Stromquelle loff der definierte Strom eine unterschiedliche Stabilität aufweisen kann, dies kann insbesondere bei Erreichen der Sättigung in der Sekundärwicklung T2 der Fall sein. Abhängig von der Art der verwendeten Stromquelle loff können verschiedene Signalformen für den definierten Strom vorteilhaft sein, und die Methode zur Auswertung der Messung an der Sekundärseite kann der Art der verwendeten Stromquelle loff angepasst werden. 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. Dabei kann diese Strommessung derart erfolgen, dass eine Potentialtrennung zwischen dem zu messenden Strompfad und der messenden Auswerteschaltung (T2 und SR) gegeben ist.
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.
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.
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 12 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.
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 eine 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. 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.
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.
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.
Bei der Messung an der Sekundärwicklung T2 können auch mehrere
Messwerte innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls erfasst werden und gemeinsam ausgewertet werden. So kann beispielweise bei der Einspeisung eines Dreiecksstroms in die Sekundärwicklung T2 sowohl für die steigende als auch die fallende Flanke die Spannung über dem Widerstand RM zu dem Zeitpunkt erfasst werden, zu dem festgestellt wird, dass der Transformator nicht mehr aufgrund des LED Stromes auf der Primärseite in Sättigung ist bzw. wieder in Sättigung ist. Zusätzlich kann auch der maximale Spitzenwert der Spannung über dem Widerstand RM erfasst werden, der erreicht wird, wenn der in die Sekundärwicklung T2 eingespeiste Strom seinen Maximalwert erreicht.
Anzumerken ist, dass beispielsweise bei Einspeisen eines Dreiecksstroms als definierten Strom in die Sekundärwicklung T2 bei der fallenden Flanke natürlich der entgegengesetzte Ablauf im Vergleich zur steigenden Flanke eintritt. Solange in die Sekundärwicklung 12 als das zweite
Energiespeicherelement ein jdefinierter Strom mit einer derart hohen Amplitude gespeist wird, dass dieser den Strom auf der Primärseite des Transformators übersteigt, wird sich die Sekundärwicklung T2 im Zustand der Sättigung befinden. Wenn nun der Strom durch die Sekundärwicklung T2 soweit abfällt, dass der auf der Sekundärseite induzierte magnetische Fluß nicht mehr den der Primärseite übersteigt, dann wird die Sekundärwicklung T2 den Zustand der Sättigung verlassen und stattdessen wieder die Primärwicklung T1 den Zustand der Sättigung erreichen. Dadurch ist bei der fallenden Flanke der Zeitpunkt Ausschlag gebend, zu dem die Primärwicklung T1 den Zustand der Sättigung erreicht.
Die Überwachung an dem Anschluß C2 kann auch mittels eines Komparators erfolgen. Insbesondere bei der Variante, wo durch die Stromquelle loff ein DC- Referenzstrom mit fixer Amplitude überlagertem Wechselspannungsanteil mit definierter Amplitude und Frequenz gespeist wird, kann vorzugsweise zur Auswertung auch ein Komparator vorgesehen sein, der ständig toggelt (also insbesondere die Referenz umschaltet), um beide Flanken des definierten Stroms zur Überwachung nutzen zu können. Es können beispielsweise unterschiedliche Referenzen für die steigende und fallende Flanke vorgesehen sein.
Es kann bei der Überwachung auch das Signal über die Zeit überwacht und bewertet werden. Dabei kann insbesondere die Zeitdauer überwacht werden, bis festgestellt wird, dass der Transformator nicht mehr aufgrund des LED Stromes auf der Primärseite in Sättigung ist.
Unter Berücksichtigung des Anstiegs des definierten Stroms kann anhand dieser Zeitdauer auf die Höhe des überwachten Stromes geschlossen werden.
Die Referenz des Komparators kann beispielsweise auch durch einen Digital- Analog-Wandler vorgegeben werden.
Die Steuer/ Regeleinheit SR kann die Messung des Stromes derart ausführen, dass der definierte Strom in die Sekundärwicklung T2 durch die Stromquelle loff nur während der Ausschaltphase des Schalters S1 eingespeist wird. Die Steuer/ Regeleinheit SR kann die Messung des Stromes iLED durch die LED (mittels der Spannung über Sekundärwicklung 12) während der
Ausschaltphase durchführen.
Es kann also wie bereits erwähnt die Messung des Stromes durch die LED mittels einer Sensoreinheit SE2 mittels eines Transformators erfolgen.
Die Sensoreinheit SE2 kann aber auch ein Hallsensor sein, insbesondere durch miteinander gekoppelte Elemente eines Hallsensors gebildet werden.
Figuren 4 und Figur 5 zeigen spezielle Ausführungsformen der Erfindung.
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 niederfrequenten 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 Farbkonstanz).
Vorzugsweise kann der Schalter S2 bei niedrigem Dimmlevel aktiviert und angesteuert werden, wo die niederfrequenten PWM-Pakete sehr kurz sind und es wichtig ist, dass der Strom durch die LED am Ende eines niederfrequenten PWM-Pakets rasch gegen null geht. Beispielsweise kann durch geeignete Ansteuerung des Schalters S2 ein noch niedrigeres Dimmlevel erreicht werden. 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.
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.
Es sei bemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren natürlich auf andere Schaltungstopologien angewandt werden kann, so beispielsweise für einen sogenannten Buck-Boost Konverter, einen Halbbrückenwandler oder einen sogenannten Forward Konverter (Durchflußwandler).
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. Die gezeigte Schaltung stellt einen sog. Buck-Boost Konverter, auch als Inverterschaltung bezeichnet, dar.
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 definierter Strom eingespeist wird und zumindest eine Messung auf der Sekundärseite zur Überwachung des LED Stromes iLED erfolgt. Grundsätzlich ist wie bereits erwähnt durch die Erfindung eine
potentialgetrennte Strommessung für eine LED möglich, unabhängig von der eingesetzten Topologie zur Ansteuerung der LED. Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt einer Betriebsschaltung für wenigstens eine LED analog zu den Schaltungen der bisherigen Beispiele.
Eine solche Betriebsschaltung treibt typischerweise 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, 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 Meßglied kann ein Widerstand RM (z.B. ein Strommess-Shunt) sein. Mittels der Messung kann auf der Sekundärseite der Strom iLED durch die "LED bestimmt werden.
Der definierte Strom IM, der in die Sekundärwicklung T2 als die gekoppelte Wicklung eingespeist wird, kann ein Dreiecksstrom sein.
Der Zeitpunkt kann erkannt werden, bei dem der eingespeiste Dreiecksstrom den Strom iLED durch die LED übersteigt.
Dieser Zeitpunkt kann durch eine Spannungsüberwachung oder Messung an der Sekundärwicklung T2 als gekoppelte Wicklung erkannt werden.
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.
Dieser Zeitpunkt kann durch eine Spannungsüberwachung oder Messung an der Sekundärwicklung T2 als gekoppelte Wicklung erkannt werden. 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 ).
Der Transformator kann die Sensoreinheit SE2 bilden.
Die Sensoreinheit SE2 kann aber auch ein Hallsensor sein, insbesondere kann die Sensoreinheit SE2 durch miteinander gekoppelte Elemente eines Hallsensors gebildet werden.
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.
Ein Schalter S2 kann der parallel zu dem Kondensator C1 und den LEDs angeordnet ist und unabhängig ansteuerbar sein. Der Schalter S2 kann geschlossen werden, um den Entladevorgang des Kondensators C1 zu beschleunigen.
Eine Steuer/Regeleinheit SR kann die Spannung über der Sekundärwicklung T2 über einen Analog-Digital-Wandler ADC überwachen.
Die miteinander gekoppelten Energiespeicherelemente bilden somit die Sensoreinheit SE2 und können durch magnetisch gekoppelte Wicklungen eines Transformators T1 , T2 gebildet werden. Die miteinander gekoppelten Energiespeicherelemente, die die Sensoreinheit SE2 bilden, können aber auch durch miteinander gekoppelte Elemente eines Hallsensors gebildet werden.
Die Schaltreglerschaltung bildet dabei eine Betriebsschaltung für zumindest eine LED.
Fig. 7 zeigt einen beispielhaften Messablauf für eine LED Beleuchtung mit drei unabhängigen LEDs. Die LEDs werden jeweils durch eine Betriebsschaltung gespeist. Der LED Strom (iLED) wird für alle drei Kanäle auf einen
vorgegebenen Wert geregelt und zum Einstellen der Helligkeit der LED werden jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt. Fig. 7 zeigt im oberen Teil den Strom durch die erste LED (gespeist durch eine erste Betriebsschaltung) sowie darunter den Strom durch den Schalter S1 der ersten Betriebsschaltung. Darunter ist eine beispielhafte Abfolge von niederfrequenten PWM-Paketen für drei jeweils durch eine Betriebsschaltung angesteuerte LEDs dargestellt und auch die Abfolge der Messungen wird durch die schraffierten Blöcke angedeutet.
Wie in Fig. 7 dargestellt, wird vorzugsweise der Strom durch die LED während der Hälfte der Einschaltzeit des Schalter S1 gemessen. Während der
Einschaltzeit des Schalters S1 entspricht der Strom durch die LED dem Strom durch den Schalter S1 , da sie in Serie verbunden sind. In Kenntnis des
Einschaltverhältnisses und der Frequenz kann aufgrund dieser Messung der mittlere Strom durch die LED bestimmt werden. Vorzugsweise wird der mittlere
Strom durch die LED durch mehrere aufeinanderfolgende Messungen ermittelt, beispielsweise durch mehrere Messungen bei aufeinanderfolgenden Pulsen immer bei der Hälfte der Einschaltzeit.
Die Einschaltzeit des Schalters (S1 ) ergibt sich aus dem gemittelten Wert des Stromes durch die LED während eines niederfrequenten PWM-Paketes und die darauffolgenden niederfrequenten PWM-Pakete werden mit dem
Einschaltverhältnis angesteuert, wie es aufgrund der Messung während des vorangegangen niederfrequenten PWM-Paketes ermittelt wurde. Dabei kann der Wert des erforderlichen Einschaltverhältnisses auch für mehrere
niederfrequenten PWM-Pakete beibehalten werden, beispielsweise wenn nicht bei jedem niederfrequenten PWM-Paket eine Messung erfolgt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der gleiche Eingang einer
Steuer/Regeleinheit SR für die Messung der Ströme an mehreren LEDs genutzt wird. In dem Beispiel der Fig. 7 werden sequentiell die drei
verschiedenen LED (auch LED Kanäle genannt) überwaht. Dabei wird zuerst die erste LED (LF PWM Channel 1 ) dann die zweite LED (Channel 2), dann die dritte LED (LF PWM Channel 3) und dann wieder die erste LED jeweils während einen niederfrequenten PWM-Paketes überwacht. Vorzugsweise wird für eine bestimmte Zeit am Ende eines niederfrequenten PWM-Paketes der LED Strom gemessen und ausgewertet. Dabei kann bei jedem Paket zumindest der Zeitraum von N hochfrequenten Pulsen (beispielsweise 16) zur Messung des Stromes genutzt werden.
Somit ergibt sich das während einem niederfrequenten PWM-Paket
einzustellende Einschaltverhältnis und somit die Einschaltzeit aus der
Messung während eines vorhergegangenen niederfrequenten PWM-Paketes. Zu Beginn eines nächsten niederfrequenten PWM-Paketes wird nunmehr die Einschaltzeit des Schalters (S1 ) um einen Aufschlagwert erhöht, der zusätzlich zu dem sich aus der Regelschleife ergebenden Wert der Einschaltzeit heraufaddiert wird.
Das Beispiel der Fig. 9 und 8 zeigt die erfindungsgemäße Ansteuerung des Schalter S1 durch die Steuereinheit SR, wie es beispielsweise auf die
Schaltung nach dem Beispiel der Fig. 2 anwendbar ist. In der Fig. 9 sind das niederfrequente Signal (LF) und das hochfrequente Signal (HF) sowie das sich ergebende Dimm-signal (FET) in ihrem beispielhaften zeitlichen Verlauf dargestellt, die genaue Funktionsweise wird im Folgenden anhand des
Beispiels der Fig. 8 erläutert. Eine mögliche Implementierung ist in Fig. 8 dargestellt. Die Steuereinheit SR steuert den ersten Schalter S1 mit einem Dimm-Signal an, wobei das Dimm- Signal durch eine Verknüpfung eines niederfrequenten Signals und eines hochfrequenten Signals erzeugt wird.
Das niederfreqeunte Signal kann an einem ersten Ausgang (PWM_LF) und das hochfrequente Signal an einem zweiten Ausgang (PWM_HF) der
Steuereinheit SR ausgegeben werden. Der erste Ausgang (PWM_LF) und der zweite Ausgang (PWM_HF) können über ein Koppelglied verknüpft sein. Das Koppelglied kann durch einen ohmschen Widerstand (Resistor) gebildet wird.
Der zweite Ausgang (PWM_HF) kann als Open Kollektor Ausgang innerhalb der Steuereinheit SR ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das niederfrequente Signal ein gepulstes, insbesondere PWM-Signal, insbesondere im Bereich von etwa 100Hz. Vorzugsweise ist das hochfrequente Signal ein gepulstes, insbesondere PWM-Signal,
beispielsweise im Bereich von etwa 50 kHz oder darüber.
Das Dimm-Signal, über welches die Helligkeit der LED eingestellt wird, wird also aus Pulspaketen gebildet, vorzugsweise als ein resultierendes PWM- Signal, wobei die Pulspakete durch längere Pausen unterbrochen sind. Somit gibt das Dimm-signal über die Ansteuerung des Schalters S1 die
niederfrequenten PWM-Pakete vor, die durch den Betrieb der
Betriebsschaltung entstehen. Das Dimm-signal kann von einer von außen, beispielsweise durch einen Nutzer, vorgegebenen Helligkeitsvorgabe abhängig sein. Diese Helligkeitsvorgabe kann durch das zugeführte
niederfrequente Signal beeinflusst werden.
Das niederfrequente Signal kann vom angestrebten Dimmlevel der LED abhängig sein. Das niederfrequente Signal kann auch von einem weiteren integrierten Steuerschaltkreis wie beispielsweise einem Microcontroller, der als zentraler Controller angeordnet ist, vorgegeben werden (HL) und nur von der Steuereinheit SR durchgeschleift werden.
Das niederfrequente Signal kann auch von einem weiteren Microcontroller, der als zentraler Controller angeordnet ist, vorgegeben werden und muß nicht zwangsläufig von der Steuereinheit SR ausgegeben oder durchgeschleift werden.
Das hochfrequente Signal kann vom Strom und / oder der Spannung durch die LED abhängig sein. Das hochfrequente Signal ist von einer Regelschleife abhängig, wobei abhängig von zumindest einem vorgegebenen Sollwert für einen Strom und / oder eine Spannung innerhalb der Betriebsschaltung und dem Vergleich mit einem Istwert zumindest der erste Schalter S1 durch eine hochfrequente Ansteuerung getaktet wird. Beispielsweise kann die
Betriebsschaltung im PWM-Betrieb, wie oben erläutert, betrieben werden, wobei der Schalter S1 abhängig vom eingestellten Einschaltverhältnis ein- und ausgeschaltet wird. Dabei muß bei dieser Regelschleife nicht zwingend Rücksicht auf die aktuelle Helligkeit der LED genommen werden. Gemäß der Erfindung wird dabei die Einschaltzeit des hochfrequenten Signals zeitweise um einen Aufschlagwert erhöht, beispielsweise solange der Nominalwert des LED Stromes nicht erreicht ist oder nach dem Einsetzen eines Hochpegels des niederfrequenten Signals.
Somit ergibt sich durch die Erfindung der Vorteil, dass die Regelschleife für die Regelung des Stromes durch die LED von der Vorgabe der Helligkeit entkoppelt werden kann und trotzdem eine Ansteuerung des Schalters über ein einzelnes Ansteuersignal möglich ist (wobei die Verknüpfung vom hochfrequenten Signal der Regelschleife mit dem niederfrequenten Signal für die Helligkeit extern der Steuereinheit SR verknüpft wird). Die Steuereinheit SR kann durch einen Microcontroller, FPGA, PAL oder auch einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis gebildet werden. Die erfindungsgemäße Ansteuerung ist nicht auf die Topologie oder
Schaltungsanordnung der Fig. 8 begrenzt, es sind genausö
Implementierungen nach den Schaltungen der Fig. 1 bis 6 möglich.
Beispielsweise kann diese Erfindung bei einem Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller, Inverter (Buck-Boost-Konverter), isolierten Sperrwandler (Flayback-Konverter), Sepie-Wandler oder auch anderen Topologien und Schaltungsanordnungen angewendet werden.
Die Erfindung betrifft grundsätzlich Betriebsschaltungen für wenigstens eine LED, die mittels eines Schaltreglers über einen getakteten ersten Schalter S1 versorgt werden, wobei über die Frequenz und / oder das Einschaltverhältnis des getakteten Schalters S1 der Strom durch die LED beeinflusst wird, und die Frequenz und / oder das Einschaltverhältnis des getakteten Schalters S1 durch eine Steuereinheit SR mittels eines Dimm-Signal als Ansteuersignal vorgegeben wird, wobei das Dimm-Signal durch eine Verknüpfung eines niederfrequenten Signals und eines hochfrequenten Signals erzeugt wird. Das niederfrequente Signal (LF) und das hochfrequente Signal (HF) werden vorzugsweise über ein Koppelglied verknüpft. Die Steuereinheit SR kann dabei sowohl das niederfrequente Signal an einem ersten Ausgang (PWM_LF) als auch das hochfrequente Signal an einem zweiten Ausgang (PWM_HF) ausgeben.
Die Beispiele der Fig. 9 oder 8 (und die anderen natürlich auch) kann
dahingehend erweitert werden, dass mehrere Betriebsschaltungen gemäß der Figuren 9 oder 8 vorhanden sind.
Die Steuereinheiten SR der einzelnen Betriebsschaltungen können von einem gemeinsamen Microcontroller aus angesteuert werden. Es wäre aber auch möglich, die Funktion der zentralen Ansteuerung der einzelnen
Betriebsschaltungen durch einen zentralen Controller und die Regelung des Betriebs der Betriebsschaltungen durch die Steuereinheiten SR in einem gemeinsamen Microcontroller anzuordnen. Die einzelnen Betriebsschaltungen können beispielsweise LED-stränge unterschiedlicher Wellenlänge oder Farbe ansteuern. Die Ansteuerung des Microcontrollers kann über eine Schnittstelle (drahtlos oder leitungsgebunden) erfolgen. Dabei können Steuersignale zum Einstellen der Helligkeit oder Farbe oder auch Statusinformationen über die Schnittstelle übertragen werden.
Somit wird auch ein Verfahren zur Ansteuerung wenigstens einer LED ermöglicht, wobei die Steuereinheit SR den Schalter S1 mit einem Dimm- Signal ansteuert, und wobei das Dimm-Signal durch eine externe Verknüpfung eines niederfrequenten Signals und eines hochfrequenten Signals erzeugt wird.
Figur 0c zeigt eine vorteilhafte Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses Verfahren dient zur Steuerung eines elektrischen
Verbrauchers, vorzugsweise eines Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED, wobei zum Erreichen eines vorgegebenen Strom- oder Leistungswertes für das Leuchtmittel ein hochfrequentes PWM-Signal mit in diskreten Schritten einstellbarem Einschaltverhältnis genutzt wird.
Beispielsweise wird zur Ansteuerung einer LED als Leuchtmittel ein
Schaltregler mit zumindest einem aktiv getaktetem Schalter wie beispielsweise ein Tiefsetzsteller genutzt, und die der LED zugeführte Leistung bzw. der Strom durch die Einstellung des Einschaltverhältnisses des aktiv getaktetem Schalters eingestellt wird. Zur Erreichung des vorgegebenen Strom- oder Leistungswertes wird das Einschaltverhältnis abhängig vom Über- oder Unterschreiten des vorgegebenen Strom- oder Leistungswertes das
Einschaltverhältnis geändert, derart, dass bei Nichterreichen des
vorgegebenen Strom- oder Leistungswertes ein wiederholter Wechsel zwischen den zwei Schritten des diskret veränderbaren Einschaltverhältnisses erfolgt, welche sich aufgrund der Regelschleife einstellen, wobei der wiederholte Wechsel nach einem vorgebbaren Muster erfolgt.
In dem Beispiel der Fing. 10a ist das Einschaltverhältnis derart eingestellt, dass der momentane Mittelwert nicht den Wert des gewünschten Mittelwertes erreicht. Diese Situation kann bei begrenzter Auflösung der möglichen Einschaltzeit sowohl bei einem Stellbetrieb (open loop) als auch bei einem Regelbetrieb mit geschlossener Regelschleife (closed loop) auftreten. Eine Erhöhung der Einschaltzeit kann bei begrenzter Auflösung der möglichen Einschaltzeit dazu führen, dass bei einer Erhöhung der Einschaltzeit um einen Schritt der gewünschte Wert für den LED Strom ILED überschritten, wird (dargestellt in Fig. 10b). Es ist somit aufgrund der begrenzten Auflösung der möglichen Einschaltzeit unter Umständen nicht möglich, den gewünschten Mittelwert für den LED Strom zu erreichen.
Eine erfindungsgemäße Lösung für das anhand der Fig. 10a und 10b geschilderte Problem stellt die Fig. 10c beispielhaft dar.
In einer bevorzugten Betriebsweise wird der ersten Schalter S1 vorzugsweise derart geregelt, dass anhand der Einstellung des Einschaltverhältnisses bei einer fixen Frequenz der Schalter S1 derart angesteuert wird, dass sich ein Mittelwert des LED Stromes ILED einstellt, der dem vorgegebenen Sollwert entspricht. Die hochfrequente Ansteuerung (mittels eines hochfrequenten Signals) des Schalters S1 kann somit vom Strom und / oder der Spannung durch die LED abhängig sein.
Die hochfrequente Ansteuerung des Schalters S1 ist von einer Regelschleife abhängig, wobei abhängig von zumindest einem vorgegebenen Sollwert für einen Strom und / oder eine Spannung innerhalb der Betriebsschaltung und dem Vergleich mit einem Istwert zumindest der erste Schalter S1 durch eine hochfrequente Ansteuerung getaktet wird.
Beispielsweise kann die Betriebsschaltung auch in einem Continuous
Conduction Modus betrieben werden, wobei der Schalter S1 abhängig vom Vergleich eines Sollwerts mit einem Istwert des gemittelten LED Stromes ein- und ausgeschaltet wird. Wenn nunmehr festgestellt wird, dass trotz Regelschleife der gewünschte Sollwert nicht erreicht werden kann, sondern nur ein Mittelwert in der Nähe des Sollwertes, dann kann ein wiederholter Wechsel zwischen den zwei
nächstliegenden Schritten des diskret veränderbaren Einschaltverhältnisses erfolgen, welche sich aufgrund der Regelschleife einstellen. Vorzugsweise erfolgt der wiederholte Wechsel nach einem vorgebbaren Muster.
Das vorgebbare Muster kann dabei beispielsweise durch den Abstand zwischen des Sollwertes und des aktuellen Istwertes gewählt werden. Es kann beispielsweise zumindest zeitweise ein Betrieb erst mit einem
Einschaltverhältnis erfolgen, bei dem sich ein Mittelwert unterhalb des erwünschten Sollwertes einstellt (wie bei Fig. 10a), und dann ein Betrieb, bei dem sich ein Mittelwert oberhalb des erwünschten Sollwertes einstellt (wie bei Fig. 0b). Es kann nunmehr der Abstand des jeweiligen momentanen
Mittelwertes (Istwertes) zu den vorgegebenen Sollwerten bestimmt werden und abhängig davon das Muster für den Wechsel des Einschaltverhältnisses angepasst werden. So kann beispielsweise eine höhere Anzahl der höheren Einschaltzeit (bzw. Einschaltverhältnisses) gewählt werden, wenn festgestellt wird, dass der sich einstellende Mittelwert bei dem Betrieb oberhalb deserwünschten Sollwertes einen geringeren Abstand zum Sollwert hat als der sich einstellende Mittelwert bei dem Betrieb unterhalb des erwünschten
Sollwertes.
Es kann auch eine Änderung des Muster nach dem Zufallsprinzip erfolgen, beispielsweise kann der Wechsel geändert werden, dass heißt es kann die Anzahl der jeweils aufeinanderfolgender Schritte mit gleicher Einschaltzeit kann geändert werden. Vorzugsweise ist bei einer Änderung der Abfolge des Musters der sich ergebende Mittelwert der Einschaltzeit bzw. das
Einschaltverhältnis im zeitlichen Mittel konstant. Es ist aber auch möglich, dass die Steuer/ Regeleinheit SR das Verhältnis von Einschaltzeit und sich daraus ergebendem LED-Strom kennt oder in einer Initialisierungsphase ermittelt und beispielsweise in einer Wertetabelle oder mittels einer Funktion die Abhängigkeit des LED Stromes von der Einschaltzeit bzw. dem Einschaltverhältnis abgelegt ist. Im Betrieb kann dann auch anhand des einzustellenden LED Stromes mittels der bekannten Abhängigkeit des LED Stromes von der Einschaltzeit bzw. dem Einschaltverhältnis der entsprechende Wert für die Einschaltzeit bzw. das Einschaltverhältnis ausgewählt werden. Wenn nunmehr festgestellt wird, dass der angestrebte Wert nicht durch einen einstellbaren Wert der Einschaltzeit erreicht werden kann, kann vorzugsweise rechnerisch die notwendige Anzahl von verfügbaren nächst höheren und nächst niedrigeren Werten für die Einschaltzeit ermittelt werden und die Ansteuern ng des Schalters S1 kann mit einem
entsprechenden hochfrequenten Signal mit einer Mischung der ausgewählten Einschaltzeiten angesteuert werden.
Beispielsweise kann eine Änderung um ein LSB des PWM-Registers der Steuer/ Regeleinheit SR (zur Ausgabe des hochfrequenten Signals) eine Änderung um 32mA beim LED Strom bewirken. So kann der PWM-Wert X einen LED Strom von 380 mA ergeben. Der nächst höhere PWM-Wert X+1 kann somit einen LED Strom von 412 mA ergeben.
Wenn nunmehr ein LED Strom von 392 mA eingestellt werden soll, werden bei einer Anzahl von 32 niederfrequenten Pulsen (innerhalb des niederfrequenten PWM-Paketes) zuerst 12 Pulse mit einer Einschaltzeit von 412 mA
ausgegeben und darauffolgend 20 Perioden mit einer Einschaltzeit von 380 mA. Bei dieser Kombination ergibt sich im Mittel ein Strom von 392 mA. Die Vorgabe für den Strom durch die LED kann beispielsweise durch eine Vorgabe für die einzustellende Farbe des zu betreibenden LED-Moduls erfolgen. Gerade wenn das LED Beleuchtungssystem durch mehrere verschiedenfarbige LEDs gebildet wird (z.B. drei LED Kanäle wie in den Beispielen beschrieben) und zur Farbmischung dient, kann für die
verschiedenen einzustellenden Farborte für jede LED jeweils abhängig von der Helligkeitsvorgabe und der Farbvorgabe eine Wertetabelle für den
einzustellenden Strom vorgegeben sein. Dieser Strom muß dann durch die Steuer/ Regeleinheit SR eingestellt werden, wenn die LED entsprechend betrieben werden soll.
Die Ermittlung der einzustellenden Kombination aus den einzustellenden Einschaltzeiten für ein niederfrequentes PWM-Paket oder zumindest eine Pulsfolge kann auch anhand einer Messung des LED Stromes während eines vorangegangenen niederfrequenten PWM-Paketes erfolgen, so wie diese Möglichkeit anhand der Fig. 7 erläutert worden ist. Im Folgenden soll gemäß Fig. 10 nochmals eine vorzugsweise Variante des Verfahrens zur Einstellung des hochfrequenten Signals Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers, vorzugsweise eines Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED, erläutert werden. Zur Einstellung eines gewünschten Betriebsparameters des Verbrauchers, insbesondere des Betriebsstromes oder der Betriebsspannung, wird ein Puls- Signal mit in diskreten Schritten einstellbarer Einschaltzeit genutzt. In diesem Fall wird der Strom ILED durch eine LED über die Einstellung einer
entsprechenden Einschaltzeit für das Puls-Signal erreicht. In dem oberen Teil dieser Figur ist gezeigt, wie aufgrund der begrenzten Anzahl an diskreten Schritten die Einschaltzeit (ON-Time) nicht exakt genug eingestellt werden kann, um den gewünschten Betriebsparameter (den Strom ILED) zu erreichen. Bei der Fig. 0a wird gemäß dem Beispiel der gewünschte Strom erreicht, sondern unterschritten, und zwar mit einer Abweichung. Die gemäß diesem Beispiel (Fig. 10a) eingestellte Einschaltzeit reicht nicht aus, um den
gewünschten Betriebsparameter (den Strom ILED) zu erreichen. Wenn jetzt jedoch die Einschaltzeit für das Puls-Signal um einen diskreten Schritt erhöht wird, ist der eingestellte Strom ILED höher ist als der gewünschte Wert des Stromes ILED (Fig. 10b).
Die bevorzugte Lösung ist in Fig. 10c dargstellt. Bei Nichterreichen des gewünschten Betriebsparameters aufgrund der begrenzten Anzahl an diskreten Schritten der einstellbaren Einschaltzeit wird das Puls-Signal durch eine Kombination von zwei Pulsfolgen mit unterschiedlicher Einschaltzeit gebildet, wobei diese derart gewählt sind, dass die erste Pulsfolge eine Einschaltzeit aufweist, die der Vorgabe zum Erreichen des gewünschten Betriebsparameters an nächsten ist, und die zweite Pulsfolge in ihrer
Einschaltzeit vorzugsweise um einen diskreten Schritt nach oben oder unten von der ersten Pulsfolge abweicht. Jede der beiden Pulsfolgen kann
zumindest durch einen Puls, vorzugsweise durch mindestens drei Pulse gebildet werden. Beim Dimmen, d.h. einer Veränderung eines gewünschten
Betriebsparameters, kann eine sukzessive Veränderung des Verhältnisses der Anzahl der Pulse von den ersten Pulspaketen zu den zweiten Pulspaketen oder umgekehrt erfolgen, abhängig von der Richtung der Änderung des gewünschten Betriebsparameters. Das heißt, je nachdem, welches der beiden Pulspakete besser für das Erreichen des geänderten Betriebsparameters geeignet ist, wird in weiterer Folge im Vergleich zu dem anderen Pulspaket in seinem Anteil erhöht und somit kann der Betriebswert sukzessiv erreicht werden. Die Anzahl der Pulse für beide Pulspakete kann periodisch oder zufällig verändert werden. Es kann auch das Verhältnis der Anzahl der Pulse der beiden Pulspakete zueinander periodisch oder zufällig verändert werden. Die Frequenz des Puls-Signals kann höher als 10kHz gewählt sein. Es soll angemerkt sein, dass in diesem Beispiel der Strom durch die LED (ILED) als über die Zeit gemittelter Wert betrachtet wird, im Falle einer
Auslegung der entsprechenden Schaltung mit einer Regelung würde der erfasste Strom gemittelt (integriert) und dann mit einem Sollwert verglichen.
Es kann eine integrierte Schaltung insbesondere ASIC, Mikroprozessor oder Hybrid davon, vorhanden sein, welche zur Durchführung eines solchen
Verfahrens ausgebildet ist. Es kann ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere LEDS oder OLEDs, aufgebaut werden, aufweisend eine
Schaltung gemäß der Erfindung.
Es kann auch ein Beleuchtungsmodul, aufweisend Leuchtmittel, insbesondere LEDs oder OLEDs, sowie ein erfindungsgemäßes Betriebsgerät enthalten. Somit kann auch ein Beleuchtungssystem, aufweisend wenigstens ein erfindungsgemäßes Beleuchtungsmodul, das über eine Signalleitung mit einer Zentraleinheit verbunden ist, die zur Aussendung von Dimmvorgaben ausgelegt ist, insbesondere gemäss dem DALI-Standard, errichtet werden.
Die Erfindung lässt sich auch bei einem PWM-Betrieb anwenden, wo die Einstellung der Helligkeit mittels niederfrequenter Pulspakete (typischerweise mit einer Frequenz im Bereich von 100- 000 Hz) mit im zeitlichen Mittel konstanter Stromamplitude angesteuert werden, wobei diese Pulspakete jeweils durch eine hochfrequente Ansteuerung der Betriebsgerätes,
insbesondere eines getakteten Schalters S1 ,. gebildet werden. Es werden also eine niederfrequente und eine hochfrequente Ansteuerung überlagert. Dem Strom innerhalb eines Pulspakets weist dabei einen hochfrequenten Rippel auf. Die Erfindung kann nunmehr dazu genutzt werden, um die Amplitude während der Hoch-Phase eines niederfrequenten PWM-Paketes einzustellen.
Anhand der Fig. 11a und 11 b soll nunmehr eine spezielle Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden. Bei der Fig. 11a ist ein Signal dargestellt, welches ein Einschaltverhältnis von 10% für das niederfrequente PWM-Paket aufweist. Das hochfrequenten Signal zur Einstellung des LED Stromes während eines niederfrequenten PWM-Paketes ist hier auch aus einer
Mischung von Pulsen mit den ausgewählten Einschaltzeiten zur Erreichung eines anzustrebenden LED Stromes gebildet (Mischung aus Pulsen mit zwei verschiedenen Einschaltzeiten, wodurch sich eine gewünschte mittlere
Einschaltzeit ergibt).
Aufgrund von technischen Beschränkungen der Steuer/Regeleinheit SR kann die Einstellung der gewünschten mittleren Einschaltzeit über eine Kombination von einer Folge von Pulsen mit zwei verschiedenen Einschaltzeiten nur bis zu einer bestimmten Anzahl von Pulsen möglich sein. Wenn zu wenig Pulse innerhalb eines niederfrequenten PWM-Paketes zur Verfügung stehen, ist es nicht mehr möglich, den gewünschten Strom durch die LED exakt zu erreichen, da eine entsprechende Kombination von Einschaltzeiten nicht einstellbar ist. Es kann aber bei Unterschreiten einer bestimmten minimalen Breite des niederfrequenten PWM-Paketes in einen Betriebsmodus
gewechselt werden, wo eine ungenauere Einstellung des LED Stromes durch die Mischung der Pulse mit zwei verschiedenen Einschaltzeiten erfolgt.
Während dieses Betriebsmodus kann auch die Breite des
Überwachungsfensters zur Messung des LED Stromes verkleinert werden. Beispielsweise können dann anstelle von 16 Pulsen nur noch 8 Pulse gemessen werden (mit Verweis auf die anhand der Fig. 7 dargestellten
Messmethode). Ein Beispiel für einen derartigen Betriebsmodus ist in Fig. 11 b dargestellt. Es können in diesem Betrieb einzelne Pulse der einen zu wählenden Einschaltzeit weggelassen werden, da die mögliche Anzähl der Pulse begrenzt ist. Es kann dabei aber jeweils ein derartiger Betrieb erfolgen, dass innerhalb eines niederfrequenten PWM-Paketes ein Puls der höheren Einschaltzeit weggelassen wird und im nachfolgenden niederfrequenten PWM- Paket ein Puls der niedrigeren Einschaltzeit weggelassen wird. Dadurch kann der sich einstellende LED Strom wieder ausgemittelt werden.
Bei dem oben angeführten Rechenbeispiel stehen bei einer Verringerung der Anzahl der Pulse von 32 auf ungefähr ein Fünftel nur noch 6 Pulse ur
Verfügung. Nunmehr lassen sich diese 6 Pulse aber nicht mehr im gleichen Verhältnis wie die 32 Pulse aufteilen, um den LED Strom von 392 mA zu erreichen. Somit muß beispielsweise eine Kombination von 3 Pulsen mit 380 mA und 3 Pulsen von 412 mA gewählt werden. Somit ergibt sich aber ein Strom von 396 mA. Zur Kompensation dieser Abweichung können nunmehr niederfrequenten PWM-Pakete mit 4 Pulsen von 380 mA und 2 Pulsen von 412 mA dazwischengefügt werden. Es kann eine Abstimmung zwischen dem hochfrequenten Signal und dem niederfrequenten Signal vorgesehen sein. So kann beispielsweise der Beginn eines niederfrequenten Signals weitergegeben werden, damit der
Aufschlagwert für die Einschaltzeit gesetzt werden kann oder die Abstimmung der Pulsfolge mit Pulsen mit verschiedener Einschaltzeit erfolgen kann.
Eine weitere mögliche Nutzung der Erfindung soll anhand der Fig. 13
beschrieben werden. Grundlage ist die anhand von Figur 12 dargestellte bekannte Erzeugung einer PWM-Impulsfolge zum Einstellen des Farbortes anhand des von einem Leuchtmittel abgestrahlten Lichtes durch Veränderung von Pulsweite der Impulse der Impulsfolge und damit von deren Tastverhältnis. Dazu werden bspw. in einer Zentrale digitale Steuersignale erzeugt (oder anderweitig Steuersignale erzeugt), aus denen mittels eines empfangsseitig vorgesehenen Mikroprozessors eine Impulsfolge zur Steuerung mit
pulsweiten-modulierten Impulsen, die letztendlich zur Einstellung der Helligkeit des von dem Leuchtmittel abgegebenen Lichtes dienen. Die Änderung des Tastverhältnisses der PWM-Impulse erfolgt dabei entsprechend der Auflösung des Mikroprozessors in diskreten Schritten. Die Auflösung, bspw. zwischen 10 und 14 Bit kann dabei geringer sein als die Auflösung des Dimmvorgabewerts, wenn dieser digital oder auch analog ist (quasi unendlich feine Auflösung).
Figur 12 zeigt beispielhaft die Einstellung des Tastverhältnisses der
Impulsfolge bzw. der PMW-Einstellung von drei verschiedenen
Leuchtmittelgruppen, hier für die Farben Rot, Grün und Blau. Auf diese Weise kann eine beliebige Farbe im RGB Raum eingestellt werden. Je nach einzustellender Farbe oder Farbort wird dabei für jede der Leuchtmittelgruppen die Pulsbreite entsprechend eingestellt.
Bei diesem Verfahren nach dem Stand der Technik kann aber das Problem auftreten, dass zu schmale Pulsbreiten nicht stabil erzeugt werden können oder beispielsweise wahrnehmbare Geräusche erzeugen.
In Figur 13 ist ein Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Impulsfolge mit einer Pulsfolgefrequenz von z.B. 100 Hz (1/T) dargestellt. . Dabei wird ein Verfahren zur Einstellung eines Farbortes bei einer
Dimmsteuerung eines elektrischen Verbrauchers, vorzugsweise eines
Leuchtmittels, wie bspw. LED oder OLED, ermöglicht, wobei das Leuchtmittel zumindest zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Leuchtmittelgruppen aufweist, die sich in ihrer Farbwiedergabe oder in ihrem Farbspektrum unterscheiden. Zum Erreichen eines Dimmvorgabewertes für einen
einzustellenden Farbort wird das Leuchtmittel mit PWM-Signalen mit in diskreten Schritten einstellbarem Tastverhältnis angesteuert. Zur Einstellung des Farbortes können für zumindest eine Leuchtmittelgruppe mehrere aufeinanderfolgende niederfrequenten PWM-Pakete zusammengefasst werden und somit wird anstelle der Folge von niederfrequenten PWM-Paketen nur ein zusammengefasstes niederfrequentes PWM-Paketerzeugt, auf welches dann entsprechend ein oder mehrere nachfolgende niederfrequente PWM-Pakete weggelassen werden.
Während eines niederfrequenten PWM-Paketes kann die Einschaltzeit des Schalters (S1 ) nach mehreren Pulsen einer einstellbaren Einschaltzeit auf die nächst höher oder niedriger einstellbaren Einschaltzeit geändert wird und die restlichen Pulse mit dieser geänderten Einschaltzeit ausgegeben werden, wie anhand der Fig. 10 und 11 beschrieben.
Die einzelnen Leuchtmittelgruppen können dabei von jeweils einer
Treiberschaltung angesteuert werden, wobei vorzugsweise eine gemeinsame Steuerschaltung die Ansteuerung der einzelnen Leuchtmittelgruppen beeinflussen oder auch regeln kann.
JEin zusammengefasstes niederfrequentes PWM-Paket wird vorzugsweise dann erzeugt, wenn die Pulsbreite eines niederfrequenten PWM-Pakets kleiner als ein vorgegebener Minimalanteil der möglichen Pulsbreite eines niederfrequenten PWM-Pakets, beispielsweise die Hälfte der maximal möglichen Pulsbreite eines niederfrequenten PWM-Pakets, ist. Im Falle der gleichzeitigen Erzeugung mehrerer zusammengefasster niederfrequenter PWM-Pakete für die verschiedenen Leuchtmittelgruppen können die zusammengefassten niederfrequenten PWM-Pakete zueinander versetzt ausgegeben werden, so dass gleichzeitig zu einem weggelassenen niederfrequenten PWM-Paket für eine Leuchtmittelgruppe ein
zusammengefasstes niederfrequentes PWM-Paket für eine weitere
Leuchtmittelgruppe erzeugt wird.
Die Position der zusammengefassten niederfrequenten PWM-Pakete kann innerhalb der Gruppe periodisch oder zufällig verändert werden.
Der Dimmvorgabewert kann digital vorliegen.
Die Pulsfolge-Frequenz kann so hoch gewählt werden, dass ein durch die Erzeugung der zusammengefassten niederfrequenten PWM-Pakete
entstehendes Flackern der Helligkeit des von dem Leuchtmittel abgegebenen Lichtes durch die Trägheit des menschlichen Auges nicht mehr
wahrgenommen wird. Die Frequenz der PWM-Impulse kann auch höher als 200 Hz gewählt werden. Auf diese Weise kann die existierende Hardware zur Ansteuerung von
Leuchtmitteln für eine Farbmischung optimal ausgenutzt werden und bestehende Einschränkungen können somit überwunden werden.
Die Variation der Pulsweite muss im übrigen nicht immer in Richtung zu größeren Werten erfolgen, sondern kann ebenso in die andere Richtung erfolgen.
Auf diese Weise kann ein großer Farbbereich über einen weiten
Helligkeitsbereich abgedeckt und sicher erzeugt werden.

Claims

Ansprüche: . Betriebsschaltung für wenigstens eine LED, bei der durch einen
getakteten Schalter (S1 ) eine Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt, wobei bei eingeschaltetem Schalter (S1 ) in einer Spule (L1 ) eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1) über wenigstens eine LED entlädt, und eine Steuer/Regeleinheit (SR) den Schalter (S1 ) derart ansteuert, dass der LED Strom (iLED) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der Helligkeit der LED jeweils niederfrequente PWM- Pakete einstellbarer Breite erzeugt werden,
gekennzeichnet dadurch, dass
während eines niederfrequenten PWM-Paketes die Einschaltzeit des Schalters (St) nach mehreren Pulsen einer einstellbaren Einschaltzeit auf die nächst höher oder niedriger einstellbaren Einschaltzeit geändert wird und die restlichen Pulse mit dieser geänderten Einschaltzeit ausgegeben werden, so dass die Anzahl der Pulse mit den beiden eingestellten Einschaltzeiten ein bestimmtes Verhältnis annehmen und sich ein gern ittelter Wert des Stromes durch die LED ergibt, der der Vorgabe durch einen Sollwert entspricht und bei Unterschreiten eines bestimmten Helligkeitswertes und somit einer bestimmten Breite des niederfrequenten PWM-Paketes einzelne Pulse der einen eingestellten Einschaltzeit weggelassen werden und somit das Verhältnis der Anzahl der Pulse mit den beiden eingestellten Einschaltzeiten im Vergleich zum Betrieb bei gleichem LED Strom während eines niederfrequenten PWM-Paketes höherer Breite abweicht.
2. Betriebsschaltung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wert des Stromes (iLED) durch die LED mit Hilfe einer Messung des Stromes, der durch den eingeschalteten Schalter (S1 ) fließt, bestimmt wird.
3. Betriebsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wert des Stromes (iLED) durch die LED mit Hilfe einer Messung der über der LED abfallenden Spannung bestimmt wird.
4. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass jeweils in aufeinanderfolgenden niederfrequenten PWM- Paketen jeweils alternierend ein Puls der beiden einstellbaren
Einschaltzeiten weggelassen wird.
5. Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass eine Erhöhung der Einschaltzeit um einen Aufschlagwert zu Beginn der PWM-Pakete erfolgt.
6. Betriebsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuer/Regeleinheit (SR) durch einen Microcontroller gebildet wird, der nur eine begrenzte Auflösung zur Erzeugung von niederfrequenten PWM-Paketen besitzt.
7. LED-Beleuchtungseinheit, aufweisend mehrere unabhängig
voneinander ansteuerbare LEDs, wobei die LEDs jeweils durch eine erfindungsgemäße Betriebsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angesteuert werden.
8. Verfahren zum Betreiben von wenigstens einer LED, der eine
Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, bei dem durch einen getakteten Schalter (S1 ) eine
Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt wird, wobei bei eingeschaltetem Schalter (S1 ) in einer Spule (L1 ) eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1 ) über wenigstens eine LED entlädt, und eine Steuer/Regeleinheit (SR) den Schalter (S1 ) derart ansteuert, dass der LED Strom (iLED) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der Helligkeit der LED jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt werden,
gekennzeichnet dadurch, dass
der LED Strom jeweils über eine bestimmte Anzahl von Pulsen der hochfreqüenten Ansteuerung gemessen wird und bei Unterschreiten einer bestimmten Breite für das niederfrequente PWM-Paket die Dauer der Messung zur Bestimmung des LED Stromes verringert wird, wobei die Dauer der Messung die Breite des niederfrequenten PWM- Paketes nicht überschreitet.
9. Verfahren zum Betreiben von wenigstens einer LED, der eine
Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung zugeführt wird, bei dem durch einen getakteten Schalter (S1 ) eine
Versorgungsspannung für wenigstens eine LED bereitstellt wird, wobei bei eingeschaltetem Schalter (S1 ) in einer Spule (L1 ) eine Energie zwischengespeichert wird, die sich bei ausgeschaltetem Schalter (S1 ) über wenigstens eine LED entlädt, und eine Steuer/Regeleinheit (SR) den Schalter (S1 ) derart ansteuert, dass der LED Strom (iLED) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und zum Einstellen der
Helligkeit der LED jeweils niederfrequente PWM-Pakete einstellbarer Breite erzeugt werden,
gekennzeichnet dadurch, dass
während eines niederfrequenten PWM-Paketes die Einschaltzeit des Schalters (S1 ) nach mehreren Pulsen einer einstellbaren Einschaltzeit auf die nächst höher-oder niedriger einstellbaren Einschaltzeit geändert wird und die restlichen Pulse mit dieser geänderten Einschaltzeit ausgegeben werden, so dass die Anzahl der Pulse mit den beiden eingestellten Einschaltzeiten ein bestimmtes Verhältnis annehmen und sich ein gemittelter Wert des Stromes durch die LED ergibt, der der Vorgabe durch einen Sollwert entspricht und bei Unterschreiten eines bestimmten Helligkeitswertes und somit einer bestimmten Breite des niederfrequenten PWM-Paketes einzelne Pulse der einen eingestellten Einschaltzeit weggelassen werden und somit das Verhältnis der Anzahl der Pulse mit den beiden eingestellten Einschaltzeiten im Vergleich zum Betrieb bei gleichem LED Strom während eines niederfrequenten PWM-Paketes höherer Breite abweicht.
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