DE102004047681B4

DE102004047681B4 - LED-Schaltungsanordnung mit einem Diodengleichrichter

Info

Publication number: DE102004047681B4
Application number: DE102004047681A
Authority: DE
Inventors: Michael Rasp; Peter Hollnberger; Markus Hofmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ledvance GmbH
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: US20060071806A1; US7808189B2; DE102004047681A1

Abstract

LED-Schaltungsanordnung, bei der eine Spannungsversorgung durch eine Wechselspannungsquelle (1) vorgesehen ist, mit einem Diodengleichrichter (7),
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Diodengleichrichter ein Brücken-Gleichrichter (7) ist, dessen Gleichrichterdioden (8, 9, 10, 11) strahlungsemittierende LED-Chips sind, und
– die LED-Schaltungsanordnung mindestens zwei Mehrfach-Chip-LEDs (14, 15) umfasst, die jeweils drei strahlungsemittierende LED-Chips enthalten, wobei jede Mehrfach-Chip-LED (14, 15) zwei strahlungsemittierende LED-Chips (8, 9, 10, 11), die Teil der Brücken-Gleichrichterschaltung (7) sind, und einen strahlungsemittierenden LED-Chip (12, 13), der als Last an der Brücken-Gleichrichterschaltung (7) betrieben wird, enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine LED-Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Da sich LEDs durch eine hohe Effizienz und eine hohe Lebensdauer auszeichnen, werden sie immer häufiger zu Beleuchtungszwecken eingesetzt, bei denen bisher üblicherweise Glühlampen verwendet werden. Wenn eine LED-Beleuchtungseinrichtung mit einer Netzspannung, zum Beispiel einer Wechselspannung von etwa 220 V oder 110 V, betrieben werden soll, wird der LED-Beleuchtungseinrichtung in der Regel ein Netzteil vorgeschaltet, das einen Transformator und einen Gleichrichter enthält. Durch den Transformator wird die Netzspannung auf eine niedrigere Spannung, die üblicherweise weniger als 15 V beträgt, transformiert. Aus der Niedervolt-Wechselspannung am Ausgang des Transformators wird mit einem Gleichrichter, beispielsweise einem Einweggleichrichter oder einem Brücken-Gleichrichter, eine Gleichspannung erzeugt. Als Gleichrichter werden zum Beispiel Diodengleichrichter verwendet, die mit einer Diode im Falle des Einweg-Gleichrichters oder mit vier Dioden im Falle des Brücken-Gleichrichters bestückt sind.
Bei LED-Beleuchtungseinrichtungen, die in einer kostengünstigen Massenproduktion hergestellt werden sollen, besteht oftmals der Wunsch, die Anzahl der in der elektronischen Schaltungsanordnung enthaltenen Bauelemente auf ein Minimum zu reduzieren, um den Herstellungsaufwand zu verringern. Dieses Ziel wird insbesondere bei Schaltungsanordnungen, die verdrahtete Bauelemente enthalten, verfolgt, da bei derartigen Schaltungsanordnungen der mit jedem zusätzlichen Bauelement verbundene Aufwand zur Verdrahtung einen vergleichsweise hohen Anteil an den gesamten Fertigungskosten verursacht. Aber auch bei Bauelementen in SMD-Bauweise ist eine Verringerung der Anzahl der Bauelemente vorteilhaft, um den Bestückungsaufwand zu reduzieren.
Schaltungsanordnungen, die Diodengleichrichter aufweisen, sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 295 11 022 U1 , DE 101 03 422 A1 , EP 1 320 284 A2 und aus der Druckschrift Eckholdt, Elektronik-Applikation, Sonderausgabe Nov. 1986, S. 24–35 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte LED-Schaltungsanordnung, bei der eine Spannungsversorgung durch eine Wechselspannungsquelle vorgesehen ist, anzugeben, die sich insbesondere durch eine besonders geringe Anzahl der verwendeten elektronischen Bauelemente und somit einen vergleichsweise geringen Fertigungsaufwand auszeichnet und ein vermindertes Flimmern aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine LED-Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer LED-Schaltungsanordnung, bei der eine Spannungsversorgung durch einen Wechselspannungsquelle vorgesehen ist, mit einem Diodengleichrichter, umfasst der Diodengleichrichter gemäß der Erfindung einen Brücken-Gleichrichter, dessen Gleichrichterdioden strahlungsemittierende LED-Chips sind.
Die strahlungsemittierenden LED-Chips erfüllen bei der LED-Schaltungsanordnung vorteilhaft eine doppelte Funktion. Sie werden einerseits als Leuchtmittel und andererseits zur Gleichrichtung der Wechselspannung verwendet. Somit ist der Fertigungsaufwand, insbesondere der Bestückungs- und/oder Verdrahtungsaufwand, im Vergleich zu einer herkömmlichen LED-Schaltungsanordnung, die zusätzlich zu einem oder mehreren strahlungsemittierenden LED-Chip(s) eine oder mehrere herkömmliche Halbleiterdiode(n) als Gleichrichterdiode(n) enthält, vorteilhaft gering.
Der Diodengleichrichter ist als Brücken-Gleichrichter ausgeführt, dessen Gleichrichterdioden strahlungsemittierende LED-Chips sind. Bei einem Brücken-Gleichrichter, der vier strahlungsemittierende LED-Chips enthält, werden bei der positiven und der negativen Halbwelle der Wechselspannung jeweils zwei LED-Chips von einem Strom durchflossen und emittieren Strahlung. Dadurch ist ein Flimmern der LED-Chips mit der Frequenz der Wechselspannung im Vergleich zu einem Einweg-Gleichrichter reduziert.
Bei einer Brücken-Gleichrichterschaltung, die vier strahlungsemittierende LED-Chips enthält, können ein weiterer strahlungsemittierender LED-Chip oder bevorzugt mehrere weitere strahlungsemittierende LED-Chips als Last an dem Brücken-Gleichrichter betrieben werden. Der Brücken-Gleichrichter hat den Vorteil, dass der mindestens eine als Last betriebene LED-Chip während beider Halbwellen der Wechselspannung von einem Strom durchflossen wird. Um die von dem Brücken-Gleichrichter erzeugte pulsierende Gleichspannung zu glätten, enthält die Schaltungsanordnung vorteilhaft einen Glättungskondensator. Dadurch wird insbesondere ein Flimmern des als Last betriebenen strahlungsemittierenden LED-Chips mit der Frequenz der Wechselspannung, die zum Beispiel etwa 50 Hz beträgt, vermindert.
Die LED-Schaltungsanordnung umfasst mindestens eine Mehrfach-Chip-LED, die mehrere strahlungsemittierende LED-Chips in einem gemeinsamen Gehäuse enthält. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mehrfach-Chip-LED mindestens einen strahlungsemittierenden LED-Chip, der die Gleichrichterdiode des Diodengleichrichters ist, und mindestens einen weiteren strahlungsemittierenden LED-Chip, der als Last an dem Diodengleichrichter betrieben wird, enthält.
Bei dem als Last betriebenen strahlungsemittierenden LED-Chip wird ein Flimmern der emittierten Strahlung mit der Frequenz der Wechselspannung vorzugsweise durch einen Glättungskondensator und/oder die Verwendung einer Brücken-Gleichrichterschaltung derart vermindert, dass es für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist. Der mindestens eine LED-Chip, der die Gleichrichterdiode des Diodengleichrichters ist, wird vorteilhaft in einem derart geringen Abstand zu dem als Last betriebenen LED-Chip angeordnet, dass ein mögliches Flimmern des als Gleichrichterdiode verwendeten LED-Chips durch den als Last betriebenen LED-Chip derart überstrahlt wird, dass es für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist.
Die LED-Schaltungsanordnung enthält zwei Mehrfach-Chip-LEDs, die jeweils drei strahlungsemittierende LED-Chips enthalten, wobei jede Mehrfach-Chip-LED zwei strahlungsemittierende LED-Chips, die Teil der Brücken-Gleichrichterschaltung sind, und einen strahlungsemittierenden LED-Chip, der als Last an der Brücken-Gleichrichterschaltung betrieben wird, enthält. Es können vorteilhaft auch mehrere derartiger LED-Schaltungsanordnungen parallel geschaltet werden.
Die strahlungsemittierenden LED-Chips der Mehrfach-Chip-LED emittieren vorzugsweise gleichfarbiges Licht. Beispielsweise kann die Mehrfach-Chip-LED eine weites Licht emittierende LED sein, die mehrere strahlungsemittierende LED-Chips enthält, die blaues oder ultraviolettes Licht emittieren, das mittels Lumineszenzkonversionsstoffen in weißes Licht umgewandelt wird. Durch die Verwendung von gleichfarbig emittierenden LED-Chips wird eine Verfälschung oder ein Flimmern des Farbeindrucks der Mehrfach-Chip-LED vorteilhaft verhindert, der ansonsten beispielsweise im Fall einer additiven Farbmischung durch verschiedenfarbige LED-Chips dadurch entstehen könnte, dass die verschiedenfarbige LED-Chips bei unterschiedlichen Halbwellen der anliegenden Wechselspannung emittieren.
Die LED-Schaltungsanordnung enthält vorzugsweise mindestens ein elektronisches Bauelement zur Glättung einer von dem Diodengleichrichter erzeugten Gleichspannung. Wie zuvor im Zusammenhang mit dem Einweg-Gleichrichter und dem Brücken-Gleichrichter beschrieben, ist das elektronische Bauelement beispielsweise ein Kondensator. Alternativ sind auch andere Schaltungsvarianten, die auch mehrere elektronische Bauelemente umfassen können, denkbar.
Die LED-Schaltungsanordnung enthält vorzugsweise einen Transformator. Dies ist insbesondere dann vor Vorteil, wenn als Wechselspannungsquelle eine Netzspannung vorgesehen ist. In diesem Fall wird die Netzspannung, die beispielsweise etwa 220 V oder 110 V beträgt, auf eine für LED- Schaltungsanordnungen übliche Betriebsspannung, die typischerweise weniger als 15 V beträgt, transformiert.
Eine erfindungsgemäße LED-Schaltungsanordnung kann insbesondere in einem Niederspannungsleuchtmittel, dass mit einer Spannung von vorzugsweise 12 V betrieben wird, enthalten sein. Die LED-Schaltungsanordnung ist somit insbesondere eine Alternative zu herkömmlichen Halogen-Lampen. Das Niederspannungsleuchtmittel umfasst vorzugsweise ein Gehäuse, dass einen Reflektor aus einem vorzugsweise metallisierten Glas oder Kunststoff aufweist.
Weiterhin kann eine erfindungsgemäße LED-Schaltungsanordnung vorteilhaft auch als Netzteil verwendet werden, bei dem einer der als Gleichrichterdiode fungierenden strahlungsemittierenden LED-Chips gleichzeitig den Betrieb des Netzteils signalisiert, so dass auf eine zusätzliche optische Funktionsanzeige verzichtet werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 4 näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer LED-Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer LED-Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
3 eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer LED-Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Niedervolt-Leuchtmittels, dass eine LED-Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung enthält.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte LED-Schaltungsanordnung enthält eine Wechselspannungsquelle 1. Die Wechselspannungsquelle 1 ist vorzugsweise eine Netzspannung, also beispielsweise eine Wechselspannung von 110 V oder 220 V. Ferner enthält die LED-Schaltungsanordnung einen Transformator 2, mit dem die von der Wechselspannungsquelle 1 erzeugte Wechselspannung auf eine für LED-Schaltungsanordnungen geeignete Betriebsspannung transformiert wird. Die LED-Schaltungsanordnung enthält einen Einweg-Gleichrichter 3, bei dem die Gleichrichterdiode ein strahlungsemittierender LED-Chip 4 ist.
Der Einweg-Gleichrichter 3 wird mit einer Last 6 betrieben, die beispielsweise ein ohmscher Widerstand ist. Der Last 6 ist vorzugsweise ein Kondensator 5 parallel geschaltet, um die von dem Diodengleichrichter 3 erzeugte pulsierende Gleichspannung zu glätten.
Die Last 6 kann eine beliebige elektronische Komponente sein, beispielsweise ein mit einer Niedervolt-Gleichspannung betriebener elektronischer Gebrauchsgegenstand, wobei der Transformator 2 in Verbindung mit dem Diodengleichrichter 3 die Funktion eines Netzteils hat. Der Betrieb des Netzteils wird dabei vorteilhaft von dem als Diodengleichrichter 3 fungierenden LED-Chip 4 optisch signalisiert.
Alternativ kann die Last 6 auch mindestens ein weiterer strahlungsemittierender LED-Chip sein.
Wie die in 1 dargestellte LED-Schaltungsanordnung enthält die in der 2 dargestellte LED-Schaltungsanordnung eine Wechselspannungsquelle 1, einen Transformator 2, einen Glättungskondensator 5 und eine Last 6. Der Diodengleichrichter ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Brücken-Gleichrichter 7, der vier strahlungsemittierende LED-Chips 8, 9, 10, 11 enthält. Der Brücken-Gleichrichter 7 hat im Vergleich zum zuvor beschriebenen Einweg-Gleichrichter 3 den Vorteil, dass sowohl bei der positiven als auch bei der negativen Halbwelle der Wechselspannung jeweils zwei der vier strahlungsemittierenden LED-Chips in Durchlassrichtung gepolt sind und somit Strahlung emittieren. Ein Flimmern mit der Frequenz der Wechselspannung wird dadurch vorteilhaft vermindert. Durch den Brücken-Gleichrichter 7 wird folglich sowohl während der positiven als auch während der negativen Halbwelle der anliegenden Wechselspannung eine Spannung an die Last 6 abgegeben.
Bei dem in der 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zwei strahlungsemittierende LED-Chips 12, 13 als Last an dem Brücken-Gleichrichter 7 betrieben. Wie zuvor beschrieben, wird von dem Brücken-Gleichrichter 7 sowohl während der positiven als auch der negativen Halbwelle der anliegenden Wechselspannung eine Spannung an die als Last betriebenen LEDs 12, 13 abgegeben. Die LEDs 12, 13 sind bei dieser Schaltung zudem bei beiden Halbwellen der Wechselspannung in Durchlassrichtung gepolt. Dadurch wird vorteilhaft ein Flimmern der als Last betriebenen strahlungsemittierenden LED-Chips 12, 13 mit der Frequenz der Wechselspannung vermindert.
Von den sechs strahlungsemittierenden LED-Chips 8, 9, 10, 11, 12, 13 der in der 3 dargestellten LED-Schaltungsanordnung emittieren also während positiven Halbwelle der Wechselspannung jeweils zwei LED-Chips 8, 10 der Brücken-Gleichrichterschaltung 7 und die beiden als Last betriebenen LED-Chips 12, 13. Während negativen Halbwelle der Wechselspannung emittieren die zwei weiteren LED-Chips 9, 11 der Brücken-Gleichrichterschaltung 7 und ebenfalls die beiden als Last betriebenen LED-Chips 12, 13.
Die strahlungsemittierenden LED-Chips 8, 9, 10, 11, 12, 13 der LED-Schaltungsanordnung können beispielsweise in diskreten LEDs, die jeweils ein LED-Gehäuse aufweisen, enthalten sein. Weiterhin können die strahlungsemittierenden LED-Chips 8, 9, 10, 11, 12, 13 auch in einem gemeinsamen Gehäuse in einem LED-Modul enthalten sein.
Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung sind jeweils drei der sechs LED-Chips der in der 3 dargestellten LED-Schaltungsanordnung in einer Mehrfach-Chip-LED 14, 15 enthalten. Wie in 3 durch die mit gestrichelten Linien umschlossenen Bereiche angedeutet, enthält beispielsweise eine erste Mehrfach-Chip-LED 14 zwei strahlungsemittierende LED-Chips 8, 9 des Brücken-Gleichrichters 7 und einen strahlungsemittierenden LED-Chip 12, der als Last 6 an dem Brücken-Gleichrichter 7 betrieben wird. Eine zweite Mehrfach-Chip-LED 15 enthält die zwei weiteren strahlungsemittierenden LED-Chips 10, 11 des Brücken-Gleichrichters 7 und einen weiteren als Last betriebenen LED-Chip 13.
Bei dieser Anordnung wird ein Flimmern der Mehrfach-Chip-LEDs (14, 15) vorteilhaft dadurch vermindert, dass von den drei innerhalb einer Mehrfach-Chip-LED 14, 15 angeordneten LED-Chips ein LED-Chip 8, 11 während einer ersten Halbwelle der Wechselspannung in Durchlassrichtung geschaltet ist, ein weiterer LED-Chip 9, 10 während der zweiten Halbwelle der Wechselspannung in Durchlassrichtung geschaltet ist und ein dritter LED-Chip 12, 13 während beider Halbwellen der Wechselspannung in Durchlassrichtung geschaltet ist. Somit emittieren jeweils zwei der drei LED-Chips gleichzeitig Strahlung. Da die drei strahlungsemittierenden LED-Chips innerhalb der Mehrfach-Chip-LED 14, 15 einen in der Regel sehr geringen Abstand zueinander aufweisen, ist ein Flimmern bei einer typischen Netzfrequenz von etwa 50 Hz für ein menschliches Auge nicht wahrnehmbar.
4 zeigt eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Niederspannungsleuchmittels 16, das eine LED-Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit achtzehn Mehrfach-Chip-LEDs 17 enthält. Jede der Mehrfach-Chip-LEDs 17 enthält vorzugsweise jeweils drei gleichfarbige strahlungsemittierende LED-Chips, von denen jeweils zwei LED-Chips 18, 19 gleichzeitig Strahlung emittieren. Die Mehrfach-Chip-LEDs 17 sind auf einer Leiterplatte 20 in einem Gehäuse 21 angeordnet, dass einen Reflektor 22 aus einem metallisierten Glas oder Kunststoff aufweist.

Claims

LED-Schaltungsanordnung, bei der eine Spannungsversorgung durch eine Wechselspannungsquelle (1) vorgesehen ist, mit einem Diodengleichrichter (7), dadurch gekennzeichnet, dass – der Diodengleichrichter ein Brücken-Gleichrichter (7) ist, dessen Gleichrichterdioden (8, 9, 10, 11) strahlungsemittierende LED-Chips sind, und – die LED-Schaltungsanordnung mindestens zwei Mehrfach-Chip-LEDs (14, 15) umfasst, die jeweils drei strahlungsemittierende LED-Chips enthalten, wobei jede Mehrfach-Chip-LED (14, 15) zwei strahlungsemittierende LED-Chips (8, 9, 10, 11), die Teil der Brücken-Gleichrichterschaltung (7) sind, und einen strahlungsemittierenden LED-Chip (12, 13), der als Last an der Brücken-Gleichrichterschaltung (7) betrieben wird, enthält.
LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsemittierenden LED-Chips (8, 9, 10, 11, 12, 13) der Mehrfach-Chip-LED(s) (14, 15) gleichfarbiges Licht emittieren.
LED-Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Schaltungsanordnung mindestens ein elektronisches Bauelement (5) zur Glättung einer von dem Diodengleichrichter (7) erzeugten Gleichspannung enthält.
LED-Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement ein Kondensator (5) ist.
LED-Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Transformator (2) enthält.
LED-Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wechselspannungsquelle (1) eine Netzspannung vorgesehen ist.
Niederspannungsleuchtmittel, dadurch gekennzeichnet, dass es eine LED-Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6 aufweist.
Niederspannungsleuchtmittel, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere parallel geschaltete LED-Schaltungsanordnungen nach Patentanspruch 1 aufweist.
Niederspannungsleuchtmittel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Reflektor (22) aus einem vorzugsweise mit einer Metallisierung versehenen Glas oder Kunststoff aufweist.
Niederspannungsleuchtmittel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es für eine Betriebsspannung von 12 V vorgesehen ist.