AT18197U1 - Niedervoltversorgung in Betriebsgeräten für Leuchtmittel - Google Patents

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AT18197U1 ATGM50150/2021U AT501502021U AT18197U1 AT 18197 U1 AT18197 U1 AT 18197U1 AT 501502021 U AT501502021 U AT 501502021U AT 18197 U1 AT18197 U1 AT 18197U1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Niedervolt- Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel, umfassend: einen Speicherkondensator; und wobei der Schaltung eine von einer AC Spannung abgeleitete Versorgungsspannung zugeführt ist, und die Schaltung dazu ausgebildet ist, an dem Speicherkondensator eine geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Schaltung ist ferner ausgebildet, in einem ersten Temperaturbereich, in welchem eine Temperatur der Schaltung und insbesondere des Speicherkondensators, kleiner als ein Schwellwert ist, eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen als in einem zweiten Temperaturbereich, der höher als der erste Temperaturbereich ist.

Description

Beschreibung
NIEDERVOLTVERSORGUNG IN BETRIEBSGERÄTEN FÜR LEUCHTMITTEL
1. GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der sogenannten Niedervoltversorgung, auch Niedervolt-Spannungsversorgung genannt, insbesondere für Leuchtmittel-Betriebsgeräte, wie beispielsweise elektronische Vorschaltgeräte für Treiber von LED-Modulen (LEDs, OLEDs).
2. HINTERGRUND
[0002] Eine Niedervoltversorgung ist eine Schaltungsanordnung mittels der in einem Betriebsgerät eine DC-Spannungsversorgung in einem Spannungsbereich erzeugt werden kann, der für die Versorgungsspannung von (aktiven) elektronischen Bauteilen (integrierten Schaltungen, Mikrocontrollern, ASICs etc.) geeignet ist. Typischerweise liegen diese DC-Versorgungsspannungen in einem Bereich von unter 15 Volt DC.
[0003] Häufig ist es eine Anforderung an LED-Treiber bei Innenraum-Anwendungen auch bei Temperaturen von zirka -25°C und bei Außenanwendungen bei zirka -40°C zu starten. Eine der kritischen Baugruppen ist bei diesen Temperaturen die Niedervoltversorgung. In der Niedervoltversorgung wird Energie zumeist in einem Elektrolytkondensator am Ausgang der Schaltung gespeichert. Dieser hat jedoch die Eigenschaft, dass bei tiefen Temperaturen sein äquivalenter Serienwiderstand (ESR), auch Ersatzwiderstand genannt, stark ansteigt. Infolgedessen erhöht sich ein Rippel auf der Niedervoltspannung, die an dem Kondensator anliegt. Dieser Spannungsrippel kann so groß werden, dass die Niedervoltspannung unter den Schwellwert der zu versorgenden Bauteile fällt. Um dies zu verhindern können mehrere Kondensatoren parallel geschaltet werden. Durch das Parallelschalten von Kondensatoren erhöht sich jedoch der Bauteilaufwand. Die eigentlich benötigte Kapazität, um den Spannungsrippel bei Raumtemperatur klein zu halten, kann relativ klein gewählt werden. Wird die Niedervoltspannung erhöht, erhöhen sich auch die Verluste in den zu versorgenden Verbrauchern.
[0004] Daher ist in der Niedervoltversorgung typischerweise ein Speicherkondensator vorgesehen, dessen Temperatureigenschaften derart sind, dass ein von ihm zu filternder Rippel bei sehr niedrigen Temperaturen ggf. nicht mehr ausreichend gefiltert werden kann. Wenn nunmehr die Niedervoltversorgung eine Versorgungsspannung mit oder knapp oberhalb eines Nennwerts von beispielsweise 12 Volt an einen Mikrocontroller oder ASIC (als Beispiel für eine Controller) ausgibt, kann das Problem auftreten, dass in bestimmten Tälern des Spannungsrippels ein Mindestwert der Versorgungsspannung des Controllers unterschritten wird, wodurch der Controller nicht mehr ausreichend versorgt wird und somit in einen definierten oder „Abschalt/Lockdown-Zustand geraten kann.
[0005] Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Niedertemperaturverhalten einer Niedervoltversorgung zu verbessern.
[0006] Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
3. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0007] Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Schaltung zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel. Die Schaltung umfasst einen Speicherkondensator und der Schaltung ist eine von einer AC Spannung abgeleitete Versorgungsspannung zugeführt. Ferner ist die Schaltung dazu ausgebildet, an dem Speicherkondensator eine rückführ-geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen und in einem
ersten Temperaturbereich, in welchem eine Temperatur der Schaltung und insbesondere des Speicherkondensators, kleiner als ein Schwellwert ist, eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen als in einem zweiten Temperaturbereich, der höher als der erste Temperaturbereich ist.
[0008] Dies hat den Vorteil, dass auch bei sehr niedrigen Temperaturen von beispielsweise unter -20 Grad Celsius sichergestellt werden kann, dass auch die Täler der Rippelwelligkeit nicht den Mindestwert für die Versorgungsspannung unterschreiten und somit ein Abschalten des Controllers verhindert wird.
[0009] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaltung ferner einen temperaturabhängigen Widerstand, welcher in einem Rückführpfad für ein die Ausgangsspannung wiedergebendes Signal zu der Niederspannungsversorgung angeordnet ist.
[0010] Dies hat den Vorteil, dass durch einen temperaturabhängigen Widerstand eine Erhöhung der Niedervoltspannung realisiert werden kann und somit durch eine temporäre Erhöhung der Niedervoltspannung ein höherer Rippel ausgeglichen werden kann. Ferner hat dies den Vorteil, dass während einer Startphase des Betriebs des Konverters selektiv der Sollwert für die Versorgungsspannung, die durch eine Regelschleife geregelt ist, hoch gesetzten wird.
[0011] Gemäß einer Ausführungsform ist der Widerstand ein Kaltleiter oder ein Heißleiter und der Widerstand derart angeordnet ist, dass er im Wesentlichen die gleiche Temperatur wie der Speicherkondensator erfährt.
[0012] Dies hat den Vorteil, dass durch einen temperaturabhängigen Widerstand eine Erhöhung der Niedervoltspannung realisiert werden kann und somit durch eine temporäre Erhöhung der Niedervoltspannung ein höherer Rippel ausgeglichen werden kann.
[0013] Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltung ausgebildet, die Ausgangsspannung zeitabhängig, bspw. in einem Zeitraum zwischen 10 Sekunden und einer Minute, vorzugsweise zwischen 20 Sekunden und 50 Sekunden, nach Start eines Betriebs der Schaltung, zu erhöhen.
[0014] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaltung ferner eine Klemm-Diode („Clamping-Diode“), wobei die Clamping-Diode ausgebildet ist, ein Überschreiten eines Schwellwerts der Ausgangsspannung zu verhindern.
[0015] Dies hat den Vorteil, dass die Schaltung vor einer Überspannung geschützt wird.
[0016] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schaltung einen zu dem Speicherkondensator in Serie angeordneten Widerstand.
[0017] Gemäß einer Ausführungsform ist der Speicherkondensator ein Elektrolytkondensator.
[0018] Dies hat den Vorteil, dass Elektrolytkondensatoren eine höhere Kapazität für ein bestimmtes Volumen als andere Kondensatortechnologien bieten. Ferner können richtig spezifizierte Elektrolytkondensatoren in anspruchsvollen Industrieanwendungen eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren erreichen.
[0019] Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, aufweisend eine Schaltung nach dem ersten Aspekt und wenigstens eine von dieser versorgten Steuereinheit.
[0020] Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit ein Mikrokontroller oder ein ASIC.
[0021] Gemäß einer Ausführungsform weist das Betriebsgerät eine aktiv getaktete PFC-Schaltung auf, wobei die Ausgangsspannung der PFC-Schaltung die Versorgungsspannung der Schaltung zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung darstellt.
[0022] Gemäß einer Ausführungsform weist das Betriebsgerät einen von der Ausgangsspannung der PFC-Schaltung versorgten primärseitig getakteten isolierten oder nicht isolierten DC/DC Konverter zur Versorgung eines Leuchtmittels auf.
[0023] Dies hat den Vorteil, dass der Leistungsfaktor erhöht wird und die harmonischen Verzerrungen verbessert werden.
[0024] Gemäß einer Ausführungsform ist bei dem Betriebsgerät die Schaltung zur NiedervoltSpannungsversorgung einer integrierten Schaltung auf der Primärseite des isolierten Konverters angeordnet.
[0025] Gemäß einer Ausführungsform des Betriebsgeräts ist die Schaltung zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung auf der Sekundärseite des isolierten Konverters angeordnet.
[0026] Gemäß einer Ausführungsform des Betriebsgeräts ist die Steuereinheit eine Steuereinheit zur Taktung eines Schalters und/oder ist die Steuereinheit zur Kommunikation mit einer Schnittstelle des Betriebsgeräts ausgelegt.
[0027] Gemäß einem dritten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel mittels einer Schaltung, umfassend: Zuführen einer von einer AC oder DC Spannung abgeleitete Versorgungsspannung einer Schaltung; Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung an einem Speicherkondensator; wobei die Schaltung ausgebildet ist, in einem ersten Temperaturbereich, in welchem eine Temperatur der Schaltung und insbesondere des Speicherkondensators, kleiner als ein Schwellwert ist, eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen als in einem zweiten Temperaturbereich, der höher als der erste Temperaturbereich ist.
4. KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN [0028] Nachfolgend wird eine kurze Beschreibung der Figuren gegeben. Darin zeigt:
[0029] Figur 1 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und
[0030] Figur 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel mittels einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform.
5. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[0031] Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung 101 zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung eines Betriebsgeräts 100 für Leuchtmittel 116 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
[0032] Die dargestellte Schaltung 101 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgehend von der Ausgangsspannung einer PFC-Schaltung gespeist. Diese Ausgangsspannung weist typischerweise eine Rippel bspw. der Frequenz einer gleichgerichteten Netzspannung auf.
[0033] Die Schaltung 101 kann indessen auch ausgehend von anderen DC-Spannungen in einem Betriebsgerät für Leuchtmittel abgeleitet werden, insbesondere solchen, die mit einem Rippel behaftet sind. Bevorzugt wird die Schaltung 101 ausgehend von einer Spannung auf der Primärseite eines isolierten oder nicht isolierten DC/DC Konverters zur Versorgung eines Leuchtmittels versorgt.
[0034] Die Schaltung 101 umfasst einen Speicherkondensator 106, wobei der Schaltung 101 eine von einer AC Spannung abgeleitete Versorgungsspannung zugeführt ist, und die Schaltung 101 dazu ausgebildet ist, an dem Speicherkondensator 106 eine geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen. Ferner ist die Schaltung 101 ausgebildet, in einem ersten Temperaturbereich, in welchem eine Temperatur der Schaltung 101 und insbesondere des Speicherkondensators 106, kleiner als ein Schwellwert ist, eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen als in einem zweiten Temperaturbereich, der höher als der erste Temperaturbereich ist.
[0035] In einer Ausführungsform wird während einer Startphase des Betriebs des Konverters selektiv der Sollwert für die Versorgungsspannung, die durch eine Regelschleife geregelt ist, hoch gesetzt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein temperaturabhängiger Widerstand 110 den Sollwert oder den Rückführwert der Regelschleife der Niedervoltversorgung 109
verändert.
[0036] Vorzugsweise ist dabei der temperaturabhängige Widerstand 110 so angeordnet, dass er im Wesentlichen die gleiche Temperatur wie der genannte Speicherkondensator 106 erfährt.
[0037] Mit zunehmenden Betrieb von beispielsweise einer Zeitdauer zwischen 10 Sekunden und 1 Minute wird sich der Rippel am Speicherkondensator 106 verringern.
[0038] Mit zunehmender Erwärmung verringert sich der serielle Widerstand 105 des Kondensators und die Welligkeit nimmt wieder ab. Somit kann also vorgesehen sein, dass die Erhöhung der Versorgungsspannung auf einen zeitlichen Bereich zwischen 10 Sekunden und einer Minute, vorzugsweise zwischen 20 Sekunden bis 50 Sekunden beschränkt ist. Vorzugsweise ist diese Erhöhung der Versorgungsspannung für einen Kaltstart derart ausgelegt, dass sie nur aktiv ist, bis sich die Temperatur an dem Speicherkondensator um 20 Grad relativ oder über einer Temperatur von beispielsweise -20 Grad (absolut) erhöht hat.
[0039] In der Schaltung 101 können ferner sogenannte Clamping-Dioden 107 vorgesehen sein, die dafür sorgen, dass nicht ungewollt die Versorgungsspannung einen vorgegebenen Bereich überschreitet. Bei einem Überschreiten ziehen diese Clamping-Dioden 107 einen zusätzlichen Strom aus dem Speicherkondensator 106, was zur Erwärmung des Speicherkondensators 106 beiträgt.
[0040] Durch eine temporäre Erhöhung der Niedervoltspannung kann der höhere Rippel ausgeglichen werden. Diese Erhöhung der Niedervoltspannung kann z.B. durch den temperaturabhängigen Widerstand 110 realisiert werden. Hat sich das Gerät dann erwärmt, steigt durch die Verluste im Gerät die Temperatur und die Niedervoltspannung kann dann wieder absinken.
[0041] Vorzugsweise ist die Niedervoltversorgungsspannung 109 eine LVPS ("Low-VoltagePower-Supply“) und liefert im Normalfall z.B. 12V. Bei tiefen Temperaturen kann ein Feedback 113 manipuliert werden, so dass die Niedervoltversorgungsspannung 109 eine leicht erhöhte Spannung liefert (z.B. 15V). Viele Komponenten können ein Unterspannungs-Lockout aufweisen. Um zu verhindern, dass bei tiefen Temperauren dieser erreicht wird, kann die Kapazität des Speicherkondensators 106 dementsprechend groß gewählt werden, bzw. ein Elektrolytkondensator (Elko) mit niederem äquivalenten seriellen Widerstand 105 (ESR, Hybrid Elko) gewählt werden.
[0042] Vorzugsweise sind bei einem 15V-Betrieb einige Clamping Dioden 107, die vor Überspannung schützen, vorgesehen. Sollte das Clamping aktiv werden/leiten, kann durch das Klemmen ein kleiner Teil der LVPS 15V-Spannung kurzgeschlossen und der kritische Elko hat kurzzeitig eine größere Last. Dies führt dazu, dass der Elko sich erhitzt und das Problem des zu hohen ESR sich von selbst löst.
[0043] Das Betriebsgerät 100 für Leuchtmittel 116 weist die Schaltung 101 und wenigstens eine von dieser versorgten Steuereinheit 112 auf. Die Steuereinheit 112 kann ein Mikrokontroller oder ein ASIC sein.
[0044] Ferner kann das Betriebsgerät 100 eine aktiv getaktete PFC-Schaltung 103 aufweisen, wobei die Ausgangsspannung der PFC-Schaltung 103 die Versorgungsspannung der Schaltung 101 zur Niedervolt-Spannungsversorgung der integrierten Schaltung darstellt.
[0045] Beispielsweise ist die Schaltung 100 zur Niedervolt-Spannungsversorgung der integrierten Schaltung auf der Primärseite des isolierten Konverters 104 angeordnet.
[0046] Alternative kann die Schaltung zur Niedervolt-Spannungsversorgung der integrierten Schaltung auch auf der Sekundärseite des isolierten Konverters 104 angeordnet sein.
[0047] Das Betriebsgerät 100 kann ferner eine Schnittstelle 111 umfassen, wobei die Steuereinheit 112 zur Taktung eines Schalters ist und/oder zur Kommunikation mit der Schnittstelle 111 des Betriebsgerät 100 ausgelegt ist.
[0048] Das Betriebsgerät 100 kann ferner einen Elektromagnetischen-Interferenz (EMI) Filter und einen Gleichrichter 102 umfassen.
[0049] Weiterhin können auf der sekundären Seite des Betriebsgeräts 100 eine Einheit zum Abtasten und Gleichrichten des Stroms 114 sowie eine Filtereinheit 115 angeordnet sein.
[0050] Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 200 zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung eines Betriebsgeräts 100 für Leuchtmittel 116 mittels einer Schaltung 101 gemäß einer Ausführungsform.
[0051] Das Verfahren 200 zur Niedervolt-Spannungsversorgung umfasst die folgenden Schritte:
- Zuführen 201 einer von einer AC oder DC Spannung abgeleitete Versorgungsspannung einer Schaltung 101;
- Bereitstellen 202 einer geregelten Ausgangsspannung an einem Speicherkondensator 106, wobei die Schaltung 101 ausgebildet ist, in einem ersten Temperaturbereich, in welchem eine Temperatur der Schaltung und insbesondere des Speicherkondensators 106, kleiner als ein Schwellwert ist, eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen als in einem zweiten Temperaturbereich, der höher als der erste Temperaturbereich ist.

Claims (10)

Ansprüche
1. Schaltung (101) zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung eines Betriebsgeräts (100) für Leuchtmittel (116), umfassend:
- einen Speicherkondensator (106);
- wobei der Schaltung (101) eine von einer AC Spannung abgeleitete Versorgungsspannung zugeführt ist, und die Schaltung (101) dazu ausgebildet ist, an dem Speicherkondensator (106) eine rückführ-geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltung (101) ausgebildet ist, in einem ersten Temperaturbereich, in welchem eine
Temperatur der Schaltung (101) und insbesondere des Speicherkondensators (106), kleiner
als ein Schwellwert ist, eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen als in einem zweiten
Temperaturbereich, der höher als der erste Temperaturbereich ist.
2. Schaltung (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (101) ferner einen temperaturabhängigen Widerstand (110) umfasst, welcher in einem Rückführpfad für einen die Ausgangsspannung wiedergebendes Signal zu der Niederspannungsversorgung (109) angeordnet ist.
3. Schaltung (101) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (110) ein Kaltleiter oder ein Heißleiter ist und wobei der Widerstand (110) derart angeordnet ist, dass er im Wesentlichen die gleiche Temperatur wie der Speicherkondensator (106) erfährt.
4. Schaltung (101) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungsversorgung (109) ausgebildet ist, die Ausgangsspannung zeitabhängig, bspw. in einem Zeitraum zwischen 10 Sekunden und einer Minute, vorzugsweise zwischen 20 Sekunden und 50 Sekunden, nach Start des Betriebs der Schaltung (101), zu erhöhen.
5. Schaltung (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung ferner eine Clamping-Diode (107) umfasst, wobei die Clamping-Diode (107) ausgebildet ist, ein Überschreiten eines Schwellwerts der Ausgangsspannung zu verhindern.
6. Betriebsgerät (100) für Leuchtmittel (106), aufweisend eine Schaltung (101) nach einem der vorherigen Ansprüche und wenigstens eine von dieser versorgte Steuereinheit (112).
7. Betriebsgerät (100) nach Anspruch 6, aufweisend eine aktiv getaktete PFC-Schaltung (103), dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung der PFC-Schaltung (103) die Versorgungsspannung der Schaltung (101) zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung darstellt.
8. Betriebsgerät (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (101) zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung auf der Primärseite eines isolierten Konverters angeordnet ist.
9. Betriebsgerät (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (112) eine Steuereinheit zur Taktung eines Schalters ist und/oder zur Kommunikation mit einer Schnittstelle (111) des Betriebsgerät (100) ausgelegt ist.
10. Verfahren (200) zur Niedervolt-Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung eines Betriebsgeräts (100) für Leuchtmittel (116) mittels einer Schaltung (101), umfassend: - Zuführen (201) einer von einer AC oder DC Spannung abgeleitete Versorgungsspannung der Schaltung (101);
- Bereitstellen (202) einer geregelten Ausgangsspannung an einem Speicherkondensator (106);
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltung (101) ausgebildet ist, in einem ersten Temperaturbereich, in welchem eine
Temperatur der Schaltung (101) und insbesondere des Speicherkondensators (106), kleiner
als ein Schwellwert ist, eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen als in einem zweiten
Temperaturbereich, der höher als der erste Temperaturbereich ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
ATGM50150/2021U 2020-12-09 2021-08-03 Niedervoltversorgung in Betriebsgeräten für Leuchtmittel AT18197U1 (de)

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