AT14315U1 - Spannungskonverter für den Betrieb von Leuchtmitteln - Google Patents

Abstract

Es wird vorgeschlagen ein Spannungskonverter zur Bereitstellung einer DC-Spannung (Vout) zum Betrieb wenigstens einer LED-Strecke (1), wobei der Konverter (2) dazu ausgelegt ist: a.) eine sich vorzugsweise in einem Spannungsbereich oberhalb der Flussspannung der LED-Strecke (1) unter Messung des LED-Stroms (iL) wenigstens einmal auf- und ab verändernde DC-Spannung (Vout) auszugeben, und b.) abhängig von dieser Messung den Arbeitspunkt der DC- Spannung (Vout) einzustellen.

Description

Beschreibung

SPANNUNGSKONVERTER FÜR DEN BETRIEB VON LEUCHTMITTELN

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungskonverter zur Bereitstellung einer Span¬nung zum Betrieb wenigstens eines Leuchtmittels, insbesondere einer oder mehreren LEDs.Die Erfindung bezieht sich ebenso auf ein System mit einem Spannungskonverter und einemStromregler zur Regelung des Stroms durch das Leuchtmittel, und auf ein Verfahren zum Be¬treiben eines Leuchtmittels ausgehend von einer zur Verfügung gestellten Spannung.

[0002] Ein solcher als Konstantspannungs- (constant voltage) Konverter ausgestalteter Span¬nungskonverter stellt ausgangsseitig eine DC-Spannung von beispielsweise 12 Volt oder 24Volt bereit. An dem Ausgang dieses Konverters können LED-Module angeschlossen werden,die typischerweise eine einfache Stromregelung implementiert haben, beispielsweise durcheinen analogen Stromregler.

[0003] Beim Betreiben von LEDs muss gewährleistet werden, dass die vom Spannungskonver¬ter erzeugten und an den LEDs anliegende Spannung ausreichend hoch ist. Diese Spannungsoll höher als die Flussspannung der LEDs sein, um ein Leuchten der LEDs zu ermöglichen.

[0004] Die Ausgangsspannung des Spannungskonverters muss nunmehr so gewählt sein, dasseinerseits die Flussspannung des LED Moduls erreicht ist, andererseits soll sie auch nicht zuweit über der Flussspannung der LED Strecke liegen, da andernfalls unnötig elektrische Ener¬gie im Stromregler abgebaut werden muss.

[0005] Aus dem Stand der Technik DE 10 2006 000 810 B4 ist ein adaptiver Spannungskonver¬ter bekannt, wobei die Adaptivität dahingehend zu verstehen ist, das beim Einschalten desSpannungskonverters dieser seine DC-Ausgangsspannung konstant erhöht, bis ein Stromflussdurch die angeschlossene LED-Strecke detektiert wird. Der Spannungskonverter hält danndauerhaft die Ausgangsspannung, bei der er den Stromfluss detektierten konnte.

[0006] Nachteilig ist bei diesem Stand der Technik die Tatsache, dass die Einstellung der Aus¬gangsspannung nur beim Einschalten des Spannungskonverters stattfinden kann. Für dieseEinstellung ist es in der Tat notwendig, die Ausgangsspannung von einem ersten Wert unter¬halb der Flussspannung bis zu einem zweiten Wert oberhalb der Flussspannung zu verändern,wobei nach Detektieren eines Stromflusses die Ausgangsspannung konstant gehalten wird. Umim laufenden Betrieb der LED-Strecke eine weitere Einstellung durchführen zu können, mussalso die LED-Strecke zunächst ausgeschaltet werden und die Ausgangsspannung ausgehendvon einem ersten Wert unterhalb der Flussspannung wieder langsam erhöht werden. Dieswürde im laufenden Betrieb zu einem Ausschalten der LED-Strecke während der Zeitdauer derEinstellung der Ausgangsspannung führen, was natürlich nicht gewünscht ist.

[0007] Insgesamt kann nach dem Stand der Technik nur einmal die Ausgangsspannung derarteingestellt werden, dass die Verlustleistung im Stromregler minimiert wird. Allerdings kann sichdiese Verlustleistung im laufenden Betrieb wieder erhöhen, z.B. weil der Spannungsabfall vonLEDs - die sogenannte Flussspannung - schwanken kann, insbesondere durch thermischeÄnderungen.

[0008] Angesichts dieses Problems ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verlustleis¬tung und die damit einhergehende Wärmeentwicklung nicht nur beim Einschalten des Span¬nungskonverters sondern auch zu einem späteren Zeitpunkt bei eingeschalteter LED-Streckeminimieren zu können. Eine Einstellung der Ausgangsspannung des Spannungskonverterssollte entsprechend auch während des Betriebs der LED-Strecke ermöglicht werden.

[0009] Die Erfindung setzt nunmehr daran an, dass die Adaptivität der DC-Ausgangsspannungnicht nur einmalig bei einem Einschalten des Konverters, sondern auch zu einem späterenZeitpunkt im Betrieb der LED-Strecke durchführbar ist.

[0010] Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Spannungskonverter zur Bereitstellung einer DC-Spannung zum Betrieb wenigstens einer LED-Strecke vorgesehen. Der Konverter istdazu ausgelegt, a.) eine sich vorzugsweise in einem Spannungsbereich oberhalb der Fluss¬spannung der LED-Strecke unter Messung des LED-Stroms vorzugsweise wenigstens einmalauf- und ab verändernde DC-Spannung auszugeben. Weiterhin ist der Konverter dazu ausge¬bildet, b.) den Arbeitspunkt der DC-Spannung abhängig von dieser Messung einzustellen.

[0011] Insbesondere im Zuge des Absenkens kann die Spannung unter die Flusspannungfallen.

[0012] Der Konverter kann dazu ausgelegt sein, die Schritte a.) und b.) kontinuierlich, quasi¬kontinuierlich oder periodisch mit wenigstens einer Wiederholung durchzuführen.

[0013] Der Konverter kann dazu ausgelegt sein, die Spannung über der LED-Strecke, d.h. diean der LED-Strecke anliegende Spannung, direkt oder indirekt zu erfassen.

[0014] Die Frequenz der sich auf- und ab verändernden DC-Spannung kann in einem Bereichzwischen 0.05 Hz und 5Hz ausgewählt werden.

[0015] Der DC-Spannung kann eine PWM-Modulation überlagert sein. Der Konverter kanndann dazu ausgelegt sein, die Schritte a.) und b.) nur in den Einschaltzeitdauern des PWM-Signals durchzuführen.

[0016] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein System vorgesehen, das einen derar¬tigen Spannungskonverter und einen durch den Spannungsregler bzw. Spannungskonvertergespeisten Stromregler aufweist. Der Stromregler ist zur konstanten Regelung des Stromsdurch die LED-Strecke vorgesehen.

[0017] Der Stromregler und die LED-Strecke können in einem LED-Modul angeordnet sein.

[0018] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer LED-Strecke ausgehend von einer DC-Spannung vorgesehen. Das Verfahren umfasst den Schritteiner a.) Bereitstellung einer DC-Spannung zum Betrieb einer LED-Strecke. Vorgesehen ist,dass sich die DC-Spannung vorzugsweise in einem Spannungsbereich oberhalb der Fluss¬spannung der LED-Strecke unter Messung des LED-Stroms vorzugsweise auf- und ab verän¬dert. Das Verfahren umfasst den Schritt einer b.) Einstellung des Arbeitspunkts der DC-Spannung abhängig von dieser Messung.

[0019] Die Schritte a.) und b.) können kontinuierlich, quasikontinuierlich oder periodisch mitwenigstens einer Wiederholung durchgeführt werden.

[0020] Die Spannung über der LED-Strecke kann direkt oder indirekt erfasst werden.

[0021] Die DC-Spannung kann dabei mit einer Frequenz in einem Bereich zwischen 0.05 Hzund 5Hz auf- und ab verändert werden.

[0022] Der DC-Spannung kann eine PWM-Modulation überlagert werden. Die Schritte a.) undb.) werden nur in den Einschaltzeitdauern des PWM-Signals durchgeführt.

[0023] Die DC-Spannung kann einem Stromregler zugeführt werden. Dieser Stromregler regeltden Strom durch die LED-Strecke konstant.

[0024] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer LED-Strecke ausgehend von einer DC-Spannung vorgesehen. Das Verfahren umfasst den Schritteiner a.) Bereitstellung einer DC-Spannung zum Betrieb einer LED-Strecke. Die DC-Spannungverändert sich vorzugsweise in einem Spannungsbereich oberhalb der Flussspannung derLED-Strecke unter Messung des LED-Stroms. Weiterhin ist vorgesehen eine b.) Ermittlung desGradients der Impedanz der LED-Strecke oder eines LED-Moduls aufweisend die LED-Strecke.Vorgesehen ist eine c.) Einstellung des Arbeitspunkts der DC-Spannung (Vout) abhängig vondieser Ermittlung.

[0025] Der Schritt c.) kann folgende Schritte aufweisen. Der Gradient der Impedanz wird miteinem Referenzwert verglichen c1.). Die DC-Spannung wird abhängig von diesem Vergleicherhöht, gesenkt oder unverändert beibehalten c2.).

[0026] Die Schritte a.), b.) und c.) können im Betrieb der LED-Strecke durchgeführt werden.Vorzugsweise werden diese Schritte mehrmals wiederholt. Vorzugsweise werden diese Schrittekontinuierlich oder periodisch wiederholt.

[0027] Die Adaptivität der DC-Ausgangsspannung kann also im Betrieb der LED-Streckedurchgeführt werden, z.B. periodisch oder kontinuierlich.

[0028] Dazu wird eine Impedanz-Messung durchgeführt. Dass heißt der Spannungskonverterermittelt sowohl den Strom, wie auch die Spannung an der LED-Strecke. Diese Strom- undSpannungsmessung erfolgt vorzugsweise dauerhaft im Betrieb der LED-Strecke.

[0029] Nunmehr erfolgt entweder eine inhärent vorhandene Modulation der Ausgangsspannungoder es erfolgt eine gezielte Modulation der Ausgangsspannung, um somit örtlich den Verlaufder Impedanzkennlinie der LED-Strecke zu ermitteln, insbesondere den Gradienten am Ar¬beitspunkt. Die inhärent vorhandene Modulation ergibt sich bereits, wenn die Ausgangsspan¬nung des DC-Spannungskonverter bereits einen vorhandenen Rippel aufweist. Ein derartigerRippel bzw. Restwelligkeit der Ausgangsspannung ergibt sich bekanntlich z.B. wenn der Span¬nungskonverter ausgehend von einer Netzspannung versorgt wird.

[0030] Der Konverter kann somit seinen Arbeitspunkt der DC- Ausgangsspannung kontinuier¬lich derart verändern, dass der Gradient der Impedanz erkennen lässt, dass sich die Ausgangs¬spannung in einem zulässigen Bereich knapp oberhalb der Flussspannung der LED-Streckebefindet.

[0031] Der Gradient der Impedanz am Arbeitspunkt wird vorzugsweise mit einem gewünschtenGradient bzw. mit einem Soll-Gradient verglichen. Der Soll-Gradient ist erreicht, wenn dieSpannung an der LED-Strecke knapp oberhalb der Flussspannung der LED-Strecke sich befin¬det. So werden Verlustleistungen im Stromregler effizient minimiert. Falls der ermittelte Gradientder Impedanz am Arbeitspunkt kleiner als der Soll-Gradient ist, so wird die Ausgangsspannunggesenkt. Umgekehrt, bei einem ermittelten Gradient oberhalb des Soll-Gradients, wird die Aus¬gangsspannung erhöht.

[0032] Somit kann es im Betrieb der LED Spannung zu einem Wandern des Arbeitspunktes desKonverters kommen. Dieses Wandern kann z.B. von der Temperatur bzw. Umgebungstempera¬tur bedingt sein, und dient dazu, die Verlustleistungen im Stromregler zu minimieren.

[0033] Die angeführte Spannungsmodulation, die nunmehr zu Messzwecken zur Adaptivitätnotwendig ist, würde normalerweise zu sichtbaren Schwankungen im Licht-Output führen,indessen ist die lokale Stromregelung am LED-Modul in der Lage, diese Effekte auszuregeln.

[0034] Wenn eine künstliche Modulation der Ausgangsspannung erfolgt, ist die Frequenz relativniedrig, vorzugsweise in der Größenordnung von 1 Hz, da das menschliche Auge Helligkeits¬schwankungen mit dieser Frequenz relativ schlecht auflöst.

[0035] Die erfindungsgemäße Technik kann mit dem Ansatz kombiniert werden, dass bei¬spielsweise in einer Startphase ermittelt wird, ob bereits bei einer Ausgangsspannung von 12 VStrom auf der LED-Strecke fließt, und wenn nicht die Ausgangsspannung auf beispielsweise 24V erhöht wird. In diesem genannten Bereich von 12 Volt DC, oder 24 Volt DC, kann dann derArbeitspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung optimiert werden. Beim Einschalten des Span¬nungskonverters kann also die Ausgangsspannung über einen Betriebsbereich von z.B. unter¬halb von 12 V bis oberhalb von 24 V kontinuierlich erhöht werden. Sobald Strom durch dieLEDs fließt kann dann der Arbeitspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung optimiert werden.

[0036] Zum Dimmen kann der DC-Ausgangsspannung ein PWM Signal, niederfrequent aufmo-duliert sein. Die Arbeitspunktbestimmung durch entsprechende Messung erfolgt dann natürlichnur in den Einschaltzeitdauern des PWM Signals.

[0037] Dabei kann vorgesehen sein, dass bei niedrigen Dimmwerten und somit geringen Tast¬verhältnissen des PWM Signals die Arbeitspunktoptimierung gemäß der vorliegenden Erfindungselektiv abgeschaltet wird.

[0038] Nachfolgend wird die Erfindung außerdem in Hinblick auf die Figuren beschrieben.

[0039] Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Betriebsschaltung zur

Versorgung einer LED-Strecke, [0040] Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Betriebs¬ schaltung, [0041] Fig. 3 zeigt einen typischen Verlauf von elektrischen Größen des in Fig. 2 gezeigten

Ausführungsbeispiels, und [0042] Fig. 4 zeigt eine Synchronisierung zwischen einer PWM-Modulation der Ausgangs¬ spannung und einer erfindungsgemäßen Messung des LED-Stroms und derAusgangs Spannung.

[0043] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Betriebsschaltung 4 zur Versorgung vonLeuchtmitteln gezeigt, insbesondere in Form eines Konverters zur Versorgung von LEDs bzw.zur Versorgung einer LED-Strecke.

[0044] Die Betriebsschaltung 4 wird eingangsseitig von einer Eingangsspannung Vin in Formz.B. einer Wechselspannung bzw. Netzspannung gespeist. Die Betriebsschaltung 4 umfasstzwei Eingangsklemmen E+, E- zum Zuführen der Eingangsspannung Vin. Die Eingangsspan¬nung Vin kann, wie in Fig. 1 gezeigt, einem Spannungskonverter 2 des Betriebsgeräts 4 zuge¬führt werden.

[0045] Alternativ kann das Betriebsgerät 4 eingangsseitig einen Gleichrichter und/oder einenFilter (nicht gezeigt) aufweisen. Dem Spannungskonverter 2 wird somit eine gleichgerichtete,und gegebenenfalls gefilterte, Wechselspannung bzw. Netzspannung zugeführt. Vorzugsweisewird die Netzspannung nach dem Gleichrichter und/oder Filter noch einer Leistungsfaktorkor¬rektur-Schaltung (nicht gezeigt) zugeführt, bevor sie zum Spannungskonverter 2 weitergeleitetwird. Die Eingangsspannung des Spannungskonverters 2 ist in diesem Fall eine näherungswei¬se konstante Busspannung gegebenenfalls aufweisend eine Restwelligkeit bzw. einen Rippel.

[0046] Alternativ kann die Eingangsspannung des Spannungskonverters 2 auch eine Gleich¬spannung bzw. eine konstante Spannung wie z.B. eine Batteriespannung sein, wobei dann derGleichrichter und die Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung optional sind.

[0047] Der Spannungskonverter bzw. Spannungswandler 2 wandelt die gegebenenfalls gleich¬gerichtete und gefilterte Eingangsspannung Vin in eine Gleichspannung bzw. DC-Spannung.Aufgabe des Spannungskonverters 2 ist es, ausgangsseitig eine konstante Spannung Vout zuerzeugen. Die Amplitude der Ausgangsspannung Vout ist steuerbar bzw. regelbar.

[0048] Der Spannungskonverter 2 kann z.B. in Form eines Abwärtswandlers bzw. Buck-Konverters ausgestaltet sein. Mittels eines solchen Wandlers kann z.B. eine EingangsspannungVin in Form einer Netzspannung mit einer Amplitude im Bereich zwischen 120 und 240 V ineine konstante Ausgangsspannung Vout von 12 V umgewandelt werden. Alternativ zum Ab¬wärtswandler kann der Spannungskonverter 2 auch als Synchronwandler ausgestaltet sein.Diese zwei Ausführungsformen sind Beispiele für einen Spannungskonverter 2 ohne galvani¬sche Trennung.

[0049] Alternative Topologien mit galvanischer Trennung sind für den Spannungskonverter 2auch einsetzbar. Z.B. kann der Wandler als Sperrwandler, Eintaktflusswandler oder Gegentakt¬flusswandler ausgestaltet sein. Solche Ausführungen des Spannungskonverters 2, entwederohne oder mit galvanischer Trennung, sind an sich bekannt.

[0050] Die Ausgangsspannung Vout des Spannungskonverters 2 liegt an zwei Ausgangsan¬schlüssen LED+, LED- des Betriebsgeräts 4 an. An diese Ausgangsanschlüsse LED+, LED¬sind nunmehr Leuchtmittel wie z.B. LEDs in Form einer LED-Strecke 1 anschließbar. Die inFig. 1 gezeigte LED-Strecke 1 umfasst fünf in Serie geschaltete LEDs, die vorzugsweise miteiner Ausgangsspannung Vout von 12 V betrieben werden. Die LED-Strecke 1 kann mehr oderweniger LEDs aufweisen, wobei dann die Amplitude der Ausgangsspannung Vout vorzugswei¬ se anzupassen ist. Die Amplitude der Ausgangsspannung Vout soll insbesondere höher als dieFlussspannung der LED-Strecke 1 sein.

[0051] Im Betriebsgerät 4 der Fig. 1 ist eine Steuereinheit 3 zum Ansteuern des Spannungs¬konverters 2 vorgesehen. Abhängig von Rückführsignalen kann die Steuereinheit 3 den Span¬nungskonverter 2 steuern. Die Rückführsignale stammen z.B. aus dem Bereich des Span¬nungskonverters 2. Abhängig von der Ausgangsspannung Vout als Rückführsignal kann dieSteuereinheit 3 den Spannungskonverters 2 derart ansteuern, dass die AusgangsspannungVout auf einen Sollwert geregelt wird. Das Zurückführen von Messwerten ausgehend vomSpannungswandler 2 zurück zur Steuereinheit 3 ist in Fig. 1 mit dem Referenzzeichen 6 ge¬kennzeichnet. Das Referenzzeichen 5 bezeichnet ein von der Steuereinheit 3 erzeugtes Steu¬ersignal zum Ansteuern des Spannungskonverters 2.

[0052] Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Betriebs¬schaltung 10. Der Aufbau und der Betrieb der Betriebsschaltung 10 entsprechen grundsätzlichAufbau und Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Betriebsschaltung 4.

[0053] Das Steuersignal 5 dient typischerweise zur Ansteuerung mindestens eines Schalters 7des Spannungskonverters 2. Z.B. umfasst der als Abwärtswandler ausgestaltete Spannungs¬konverters 2 in bekannter Weise einen Schalter 7, wobei abhängig vom Ein- und Ausschaltendes Schalters die Höhe der Ausgangsspannung Vout einstellbar ist. Der als Sperrwandler aus¬gestaltete Spannungskonverter 2 umfasst einen Schalter 7, der in bekannter Weise auf derPrimärseite eines Übertrager angeordnet ist, wobei die Ausgangsspannung Vout auf der Se¬kundärseite des Übertragers zur Verfügung gestellt wird.

[0054] Parallel zu den Ausgangsanschlüssen LED+, LED- und somit parallel zur LED-Strecke 1kann ein ohmscher Spannungsteiler R1, R2 vorgesehen sein, an dem ein Signal S/Vout abge¬griffen und der Steuereinheit 3 als Rückführsignal zugeführt werden kann. Das MesssignalS/Vout ist repräsentativ für die Ausgangsspannung Vout, die zum Betreiben der LED-Strecke 1erzeugt wird.

[0055] Der ohmsche Spannungsteiler R1, R2 ist beispielhaft für eine direkte Messung der Aus¬gangsspannung Vout. Die Erfassung der Ausgangsspannung Vout kann alternativ auch indirekterfolgen. Z.B. bei einem Spannungskonverter 2 mit galvanischer Trennung aufweisend einenÜbertrager ist es möglich, eine auf der Primärseite des Übertragers anliegende Spannung zumessen und auf die Ausgangsspannung Vout auf der Sekundärseite des Übertragers unterBerücksichtigung des Windungsverhältnis des Übertragers zu schließen. Bei einem Sperrwand¬ler lässt sich z.B. die Ausgangsspannung Vout indirekt über eine Multiplikation der Eingangs¬spannung des Sperrwandlers mit dem Windungsverhältnis ermitteln.

[0056] In Serie zur LED-Strecke ist im Betriebsgerät 4 weiterhin ein Messwiderstand bzw. einShunt Rshunt geschaltet. An dem Messwiderstand Rshunt wird ein Messsignal S/i abgegriffenund der Steuereinheit 3 zugeführt. Dieses Messsignal S/i gibt den Strom durch die LED-Strecke1 wieder. Auch alternative bekannte Mittel zur Messung der Ausgangsspannung Vout und/oderdes Stroms durch die LED-Strecke 1 können hier eingesetzt werden.

[0057] An den Ausgangsanschlüssen LED+, LED- ist wiederum die LED-Strecke 1 geschaltet.In Fig. 2 ist zusätzlich eine Konstantstromquelle 11 in Serie zur LED-Strecke 1 vorgesehen.Diese Konstantstromquelle 11 dient als Stromregler, um den Strom durch die LED-Streckekonstant zu halten, d.h. auf einen Strom-Sollwert zu regeln. Die LED-Strecke 1 und der Strom¬regler 11, vorzugsweise der lineare Stromregler 11, sind in Serie geschaltet und sind Teil einesLED-Moduls 12, welches an den Ausgangsanschlüssen LED+, LED- angeschlossen ist.

[0058] Der Stromregler 11 kann alternativ auch in der Betriebsschaltung 10 integriert werden. Indiesem Fall kann der Stromregler z.B. in Serie zwischen dem Spannungskonverter 2 und derLED-Strecke 1 d.h. in Serie zwischen dem Spannungskonverter 2 und den Ausgangsanschlüs¬sen LED+, LED- angeordnet sein.

[0059] Die Betriebsschaltung eignet sich auch zum Betreiben von mehreren LED-Strecken bzw. mehreren LED-Modulen. Dies ist in Fig. 2 in gestrichelter Linie dargestellt. Parallel zum LED-Modul 12 ist ein optionales weiteres LED-Modul 12' dargestellt, das wiederum eine LED-Strecke1' in Serie zu einem Stromregler 11' umfasst.

[0060] An dem Ausgang des Spannungskonverters 2 können also ein oder mehrere LED-Module angeschlossen werden, wobei diese LED-Module typischerweise eine einfache Strom¬regelung implementiert haben, beispielsweise durch einen analogen Stromregler.

[0061] Fig. 3 zeigt einen typischen Verlauf von elektrischen Größen des in Fig. 2 gezeigtenAusführungsbeispiels.

[0062] Gezeigt wird insbesondere der Verlauf vom Strom i durch die LED-Strecke 1 in Abhän¬gigkeit von der Ausgangsspannung Vout d.h. in Abhängigkeit von der über die LED-Strecke 1bzw. über das LED-Modul 12 abfallenden Spannung.

[0063] Die Strom-Spannungs-Kennlinie weist einen s-förmigen Verlauf auf. Bei einer niedrigenAusgangsspannung Vout zwischen null und einem ersten Wert V1 fließt kein bzw. annäherndkein Strom durch die LEDs. Dieser Bereich ohne LED-Strom und somit ohne Leuchten derLEDs ist in Fig. 3 mit B1 bezeichnet.

[0064] Ab diesem Wert V1 nimmt der Strom i mit der Spannung Vout zu, und zwar vorzugswei¬se exponential. Das Referenzzeichen B2 bezeichnet den Bereich der nahezu exponentiellenStrom- Spannungs-Kennlinie. Sobald die Ausgangsspannung Vout die Flussspannung derLEDs erreicht, sind die LEDs leitend und die LEDs leuchten.

[0065] Wenn sich die Ausgangsspannung Vout nunmehr weiter erhöht beginnt der LED-Strom iwieder abzuflachen. Dies entspricht einem Bereich B3 für die Ausgangsspannung Vout. DiesesAbflachen der Kennlinie ist darauf zurückzuführen, dass nunmehr ein Stromregler 12 zur Rege¬lung des Stroms durch die LED-Strecke 1 eingesetzt wird. Es stellt sich somit ein ArbeitspunktAP ein für den Spannungskonverter bzw. für die DC-Ausgangsspannung Vout. An diesemArbeitspunkt AP ergibt sich ein Nennstrom i = iN.

[0066] Um den Nennstrom iN erzielen zu können, soll die Ausgangsspannung einen Mindest¬wert erreichen. Dieser Mindestwert für die Ausgangsspannung bleibt nicht immer konstantsondern ist wiederum insbesondere vom Strom, vom Typ der LEDs, von der Anzahl der LEDs,von der Temperatur und vom Stromregler abhängig.

[0067] Bekannte Spannungskonverter erzeugen in diesem Zusammenhang bewusst eine zuhohe Ausgangsspannung. Dies führt einerseits dazu, dass der Nennstrom iN erreicht werdenkann. Andererseits muss unnötig elektrische Energie im Stromregler abgebaut werden, wasauch noch zu einem unerwünschten Temperaturanstieg führt.

[0068] Der eingangs erwähnte adaptive Spannungskonverter aus dem Stand der Technik bietetdie Möglichkeit, beim Einschalten des Spannungskonverters die DC-Ausgangsspannung dahin¬gehend optimal einzustellen, dass im Stromregler keine bzw. wenig elektrische Energie abge¬baut werden muss. Im Laufe des LED-Betriebs kann allerdings diese einmal eingestellte DC-Ausgangsspannung möglicherweise zu steigenden Verlustleistungen im Stromregler führen.

[0069] Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, eine DC-Ausgangsspannung Vout bereitzu¬stellen, die sich vorzugsweise in einem Spannungsbereich oberhalb der Flussspannung derLED-Strecke verändert. (Insbesondere im Zuge des Absenkens kann die Spannung unter dieFlusspannung fallen.) [0070] Dabei wird kontinuierlich oder in diskreten zeitlichen Abständen der LED-Strom gemes¬sen. Der Arbeitspunkt der DC-Ausgangsspannung Vout wird dann abhängig von dieser Mes¬sung eingestellt. Somit kann auch während des LED-Betriebs die Ausgangsspannung im Sinneeiner Minimierung der Verlustleistung im Stromregler optimiert werden.

[0071] Die LED-Strecke 1 wird vorzugsweise wie folgt ausgehend vom Spannungskonverter 2betrieben: [0072] - Beim Starten des Spannungskonverters 2 wird die Ausgangsspannung Vout zunächst auf einen Maximalwert V2 eingestellt. Dieser Maximalwert V2 ist vorzugsweise oberhalb derFlussspannung der LED-Strecke. Dieser Maximalwert V2 soll auch für den Spannungskonverterund für die LED-Strecke betriebssicher sein.

[0073] - Danach wird aus den Messsignalen S/i und S/Vout, die jeweils für den LED-Strom unddie Ausgangsspannung Vout repräsentativ sind, der Gradient der Impedanz der LED-Streckebzw. die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie ermittelt. Diese Steigung ist in Fig. 3 mit demReferenzzeichen ST bezeichnet. Die Steigung ST ist ein Maß für die Steilheit der Strom-Spannungs-Kennlinie.

[0074] - Der Gradient der Impedanz bzw. die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie wirdanschließend von der Steuereinheit 3 mit einem Referenzwert verglichen. Dieser Referenzwertist vorzugsweise in der Steuereinheit 3 gespeichert. Dieser Referenzwert kann unabhängig vonder LED-Strecke benutzt werden. D.h. die Steuereinheit 3 vergleicht der gerade ermittelte Gra¬dient immer mit demselben Referenzwert. Alternativ kann der Referenzwert adaptiv sein undvon der LED-Strecke abhängen.

[0075] - Falls der Gradient die Referenzspannung nicht erreicht hat, wird die Ausgangsspan¬nung Vout gesenkt. Vorzugsweise wird die Ausgangsspannung Vout derart gesenkt, dass beimÜbergang zwischen dem alten und dem neuen Wert für die Ausgangsspannung Vout keineÄnderung der von der LED-Strecke erzeugten Helligkeit vom menschlichen Auge bemerkbar ist.Vorzugsweise wird die Ausgangsspannung Vout um einen Wert verändert bzw. gesenkt, der soklein ist wie möglich. Vorzugsweise kann der Wert der Ausgangsspannung Vout um 0,2 V ver¬ändert werden.

[0076] - Diese Arbeitspunktoptimierung wird vorzugsweise regelmäßig durchgeführt, um immereinen möglichst geringen Leistungsverlust im Stromregler zu haben. Es wird dann die Aus¬gangsspannung Vout schrittweise gesenkt, solange der Gradient die Referenzspannung nichterreicht.

[0077] Erfindungsgemäß kann die Richtung der Veränderung der Ausgangsspannung Voutvom Vergleich mit dem Referenzwert abhängen. Ist der ermittelte Gradient nämlich kleiner alsder Referenzwert, so wird die Ausgangsspannung Vout reduziert. Andersrum wird die Aus¬gangsspannung Vout erhöht, wenn der Gradient größer als der Referenzwert sein sollte. DieVeränderung der Ausgangsspannung Vout sollte für das menschliche Auge nicht Form einerHelligkeitsschwankung erkennbar sein.

[0078] Diese Verringerung oder Erhöhung der Ausgangsspannung Vout wird dadurch durchge¬führt, dass der der Sollwert für die Ausgangsspannung Vout entsprechend geändert wird unddass die Steuereinheit 3 dann seine Ansteuerung des Schalters 7 entsprechend ändert. DieZeitdauer zwischen zwei Arbeitspunktoptimierungen, d.h. zwischen zwei Ermittlungen desGradients, sollte lang genug sein, dass sich die Ausgangsspannung Vout auch auf den größe¬ren oder kleineren Sollwert einstellt lässt.

[0079] Der erste Schritt der Einstellung der Ausgangsspannung Vout auf den Maximalwert V2ist nicht zwingend notwendig. Alternativ kann beim Einschalten des Konverters 2 die Ausgangs¬spannung schrittweise oder kontinuierlich erhöht werden, bis ein Strom durch die LED-Streckefließt. Danach kann wiederum eine oder vorzugsweise mehrere Arbeitspunktoptimierungenstattfinden, um die Ausgangsspannung Vout erfindungsgemäß jeweils zu erhöhen oder verrin¬gern.

[0080] Um den Gradient bzw. die Steigung ST zu ermitteln, wird die Ausgangsspannung Voutausgehend von ihrem eingestellten Wert leicht verringert und erhöht, um den Verlauf der Impe¬danzkennlinie der LED-Strecke ermitteln zu können. Dabei ist eine minimale Anzahl an Strom-und Spannungsmessungen S/i, S/Vout erforderlich. Bei jeder Messung soll die Ausgangsspan¬nung Vout mindestens um einen Mindestwert verändert werden. Vorzugsweise ist eine Min¬destanzahl an Messwerten festgelegt, um eine stabile Ermittlung der Steigung ST zu gewähr¬leisten. Vorzugsweise sollen 16 Spannungsmesswerte und die jeweils 16 entsprechendenStrommesswerte erfasst werden.

[0081] Auf Basis dieser vorzugsweise digitalisierten Messwerte wird von der Steuereinheit 3eine Regressionsanalyse durchgeführt, um daraus einen geschätzten Wert für die Steigung STzu ermitteln. Die Steuereinheit 3 kann dabei verschiedenen Schätzfunktionen benutzen. Vor¬zugsweise wird die Steigung ST mit Hilfe einer Theil-Sen Schätzfunktion ermittelt.

[0082] Abhängig von dieser Ermittlung der Steigung ST bzw. des Gradients wird die Ausgangs¬spannung Vout des Konverters 2 verändert, und somit der Arbeitspunkt im Sinne einer Verrin¬gerung des Leistungsverlusts im Stromregler optimiert.

[0083] Fig. 4 zeigt eine Synchronisierung zwischen einer PWM-Modulation der Ausgangsspan¬nung und einer erfindungsgemäßen Messung des LED-Stroms und der Ausgangsspannung.

[0084] Der in Fig. 4 gezeigte Bereich D1 bezieht sich auf den Betrieb der LED-Strecke beieinem Dimmwert von 100%. Die Ausgangsspannung Vout und der LED-Strom i weisen stetigeWerte auf. Die Punkte sollen die Zeitpunkte darstellen, zu denen die Ausgangsspannung Voutund der LED-Strom i zur Vermeidung von Leistungsverlusten im Stromregler erfindungsgemäßgemessen werden.

[0085] Zum Dimmen kann der DC-Ausgangsspannung Vout ein PWM Signal, niederfrequentaufmoduliert sein. Dies ist in den Bereichen D2 und D3 gezeigt. Das entsprechende PWM-Modul kann z.B. innerhalb des Konverters 2 vorgesehen sein. Die Arbeitspunktbestimmungdurch entsprechende Messung von Ausgangsspannung Vout und LED-Strom i erfolgt dann nurin den Einschaltzeitdauern des PWM-Signals, s. wiederum die Punkte in den Einschaltzeitdau¬ern in Fig. 4.

[0086] Da die PWM-Modulation im Spannungskonverter 2 und die Arbeitspunktbestimmung inder Steuereinheit 3 stattfinden, ist eine Synchronisierung zwischen den beiden Bauteilen not¬wendig. Auf Fig. 2 ist entsprechend gezeigt, dass der Konverter 2 ein SynchronisierungssignalPWMsync zu der Steuereinheit 3 zuführt. Mit Hilfe des Synchronisierungssignals PWMsyncweiß die Steuereinheit, wann die Einschaltzeitdauern des PWM-Signals erfolgen und somitwann die Messung durchgeführt werden kann.

[0087] Mit sinkendem Dimmwert wird auch das Tastverhältnis des PWM-Signals kleiner, s. z.B.den Bereich D3 im Vergleich zum Bereich D2 mit höheren Dimmwerten. Bei einem niedrigenDimmwert unterhalb eines Schwellwerts oder bei einem geringen Tastverhältnis des PWM-Signals unterhalb eines Schwellwerts kann die Arbeitspunktoptimierung gemäß der vorliegen¬den Erfindung selektiv abgeschaltet werden.

[0088] Die Modulation der DC-Ausgangsspannung Vout kann muß nicht „künstlich" durch einenRegler herbeigeführt werden, sondern kann sich auch automatisch als Rippel am Ausgang desKonverters ergeben, beispielsweise durch die relativ geringe Kapazität der Kondensatoren amAusgang oder durch eine träge Regelschleife, die einen von der Netzspannung bewirkten Rip¬pel nicht vollständig ausregelt.

Claims (16)

1. Ansprüche 1. Spannungskonverter zur Bereitstellung einer DC- Spannung (Vout) zum Betrieb wenigs¬tens einer LED-Strecke (1), wobei der Konverter (2) dazu ausgelegt ist: a. ) eine sich vorzugsweise in einem Spannungsbereich oberhalb der Flussspannung der LED-Strecke (1) unter Messung des LED-Stroms (iL) wenigstens einmal auf- und abverändernde DC-Spannung (Vout) auszugeben, und b. ) abhängig von dieser Messung den Arbeitspunkt der DC-Spannung (Vout) einzustellen.
2. 2. Spannungskonverter nach Anspruch 1, wobei der Konverter (2) dazu ausgelegt ist, die Schritte a.) und b.) kontinuierlich, quasikon¬tinuierlich oder periodisch mit wenigstens einer Wiederholung durchzuführen.
3. 3. Spannungskonverter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Konverter (2) dazu ausgelegt ist,die Spannung über der LED-Strecke (1) direkt oder indirekt zu erfassen.
4. 4. Spannungskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz der sich auf- und ab verändernden DC-Spannung (Vout) in einem Be¬reich zwischen 0.05 Hz und 5Hz liegt.
5. 5. Spannungskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der DC-Spannung (Vout) eine PWM-Modulation überlagert ist, wobei der Konverter (2) dazu ausgelegt ist, die Schritte a.) und b.) nur in den Einschaltzeitdauern des PWM-Signals durchzuführen.
6. 6. System aufweisend einen Spannungskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprü¬che und einen durch den Spannungsregler gespeisten Stromregler (11), der den Strom (iL)durch die LED-Strecke (1) konstant regelt.
7. 7. System nach Anspruch 6, wobei der Stromregler (11) und die LED-Strecke (1) in einem LED-Modul angeordnet sind.
8. 8. Verfahren zum Betreiben einer LED-Strecke (1) ausgehend von einer DC-Spannung (Vout), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a. ) Bereitstellung einer DC-Spannung (Vout) zum Betrieb einer LED-Strecke (1), wobei sich die DC-Spannung (Vout) vorzugsweise in einem Spannungsbereich oberhalbder Flussspannung der LED-Strecke (1) unter Messung des LED-Stroms vorzugsweiseauf- und ab verändert, und b. ) Einstellung des Arbeitspunkts der DC-Spannung (Vout) abhängig von dieser Messung.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schritte a.) und b.) kontinuierlich, quasikontinuierlich oder periodisch mit wenigs¬tens einer Wiederholung durchgeführt werden.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Spannung über der LED-Strecke (1) direkt oder indirekt erfasst wird.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die DC-Spannung (Vout) mit einer Frequenz in einem Bereich zwischen 0.05 Hz und5Hz auf- und ab verändert wird.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der DC-Spannung (Vout) eine PWM-Modulation überlagert wird, wobei die Schrittea.) und b.) nur in den Einschaltzeitdauern des PWM-Signals durchgeführt werden.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die DC-Spannung (Vout) einem Stromregler (11) zugeführt wird, der den Stromdurch die LED-Strecke (1) konstant regelt.
14. 14. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 8 bis 13, zum Betreiben einer LED-Strecke (1) ausgehend von einer DC-Spannung (Vout), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a. ) Bereitstellung einer DC-Spannung (Vout) zum Betrieb einer LED-Strecke (1), wobei sich die DC-Spannung (Vout) in einem Spannungsbereich oberhalb der Flussspan¬nung der LED-Strecke (1) unter Messung des LED-Stroms verändert, b. ) Ermittlung des Gradients der Impedanz der LED-Strecke (1) oder eines LED-Moduls (12) aufweisend die LED-Strecke (1), und c. ) Einstellung des Arbeitspunkts der DC-Spannung (Vout) abhängig von dieser Ermitt¬ lung.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt c.) folgende Schritte aufweist: c1.) der Gradient der Impedanz wird mit einem Referenzwert verglichen, undc2.) die DC-Spannung (Vout) wird abhängig von diesem Vergleich erhöht, gesenkt oderunverändert beibehalten.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Schritte a.), b.) und c.) im Betrieb der LED-Strecke (1) vorzugsweise mehrmalsdurchgeführt werden, und insbesondere kontinuierlich oder periodisch wiederholt werden. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen