DE102006000810B4

DE102006000810B4 - Verschaltete Anordnung von wenigstens einen Leuchtdiodenchip aufweisenden Einzelmodulen

Info

Publication number: DE102006000810B4
Application number: DE102006000810A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Garufo
Original assignee: Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG
Current assignee: Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG
Priority date: 2006-01-03
Filing date: 2006-01-03
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-01-04
Also published as: DE502006004764D1; CA2632781A1; TW200742488A; WO2007077007A1; ATE442028T1; US20090051301A1; MX2008008416A; ES2331971T3; CA2632781C; EP1969904B1; DE102006000810A1; US8446100B2; EP1969904A1

Abstract

Verschaltete Anordnung von eine Leuchtdiodenchip-Anordnung (18) mit wenigstens einem Leuchtdiodenchip aufweisenden Einzelmodulen (10, 11, 12) als Leuchtkörper in einer Parallelschaltung, wobei die Leuchtdiodenchip-Anordnungen (18) jeweils über eine lineare Konstantstromschaltung (17) an eine gemeinsame stromgeführte Spannungsquelle (15) angeschlossen sind, die bei Betriebsbeginn die Versorgungsspannung (U) über einen ihr zugewiesenen Betriebsbereich (5–35 V) kontinuierlich erhöht und bei Erreichen eines über die Parallelschaltung fließenden konstanten Gesamtstroms die zugehörige Versorgungsspannung fixiert und unverändert hält.

Description

Die Erfindung betrifft eine miteinander verschaltete Anordnung von mehreren, wenigstens einen, vorzugsweise jedoch eine Mehrzahl von in Reihen- oder Parallelschaltung verschalteten Leuchtdiodenchips aufweisenden Modulen. Derartige einzelne Module sind beispielsweise aus dem Produktdatenblatt „High Performance Square-Lichtmodule als Einbauplatinen" der Vossloh-Schwabe Deutschland GmbH aus 04/2005 bekannt.
Bei auf der Basis von Leuchtdiodenchips arbeitenden Einzelmodulen als Leuchtquellen besteht das Problem, dass die eingesetzten Leuchtdiodenchips eine herstellungsbedingte Spannbreite in ihrer jeweiligen Vorwärtsspannung aufweisen. Der Einsatz von Leuchtdiodenchips mit engen Vorwärtsspannungen kann auf einem Einzelmodul oder mehreren Einzelmodulen realisiert werden. Bei einer Massenproduktion allerdings ist der Einsatz von nur in einem eng begrenzten Vorwärtsspannungsbereich selektierten Leuchtdiodenchips bezogen auf eine Vielzahl von produzierten Modulen sehr unwirtschaftlich.
Deshalb werden vorwärtsspannungsselektierte Parallelverschaltungen von Leuchtdiodenchips sinnigerweise nur in auf Einzelmodulen befindlichen Schaltsystemen angeboten. Derartige Einzelmodule sind in sich stabil. Werden jedoch mehrere Einzelmodule in miteinander verschalteten Modulanordnungen parallel verschaltet, so werden jeweils den Modulen, welche einzeln parallel oder in Serien parallel verschaltet werden, Einzelstromquellen vorgeschaltet. Diese Stromquellen stabilisieren den Betriebszustand der einzelnen Module.
Eine derartige Reihenschaltung von Stromquellen und einem zugeordneten LED-Modul lässt sich problemlos zu von einer Versorgungsspannung gespeisten Modulsystemen mit parallel verschalteten Einzelmodulen zusammenschalten. Da die Betriebsstabilität eines einzelnen LED-Moduls stark von einer niedrigen Betriebswärme abhängig ist, sind die den Einzelmodulen jeweils vorgeschalteten Stromquellen in der Regel separat angeordnet. Hierfür stehen getaktet arbeitende Stromquellen mit hohem Wirkungsgrad bezogen auf die Eingangsspannung sowie auch linear arbeitende Stromquellen, beispielsweise in Form von Transistorschaltungen, die als „variabler Vorwiderstand" arbeiten, zur Verfügung. Bei diesen linearen Stromquellen jedoch ist der Wirkungsgrad und damit die Eigenverlustleistung abhängig von dem Delta der Eingangsspannung zur Regelausgangsspannung. Eine lineare Stromquelle kann also nur dann mit einem guten Wirkungsgrad, also einer geringen Verlustleistung, betrieben werden, wenn die Eingangsspannung nicht viel größer als die Regelausgangsspannung ist.
Soweit getaktete Stromquellen unabhängig von einer definierten Eingangsspannung, wie sie bei Linearsystemen notwendig wäre, sind, werden üblicherweise bei bekannten, parallel verschalteten LED-Modulsystemen ausschließlich getaktete Stromquellen verwendet. Mit diesen getakteten Stromquellen ist jedoch der Nachteil verbunden, dass diese wesentlich aufwendiger und damit teurer sind als lineare Stromquellen.
Aus der DE 103 18 780 A1 wie auch aus der US 2004/0164685 A1 ist bereits eine verschaltete Anordnung von Leuchtdiodenchips bekannt, die über Konstantstromschaltungen gespeist sind, wobei die Spannungsquelle zwecks Minimierung der Verlustleistung in den Linearreglern eingestellt wird. Allerdings ist es hierbei erforderlich, die Spannung an allen Leuchtdiodenchip-Anordnungen bzw. an allen Stromquellen zu erfassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit der Parallelverschaltung von insbesondere mehrere Leuchtdiodenchips aufweisenden Einzelmodulen aufzuzeigen, bei der trotz abweichender Vorwärtsspannungen an den miteinander zu verschaltenden Modulen in einem einfachen Schaltungsaufbau lineare Stromquellen bzw. lineare Konstantstromschaltungen einsetzbar sind.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.
Die Erfindung sieht hierzu im einzelnen vor, dass die Leuchtdiodenchip-Anordnungen jeweils über eine lineare Konstantstromschaltung an eine gemeinsame stromgeführte Spannungsquelle angeschlossen sind, die bei Betriebsbeginn die Versorgungsspannung (U) über einen ihr zugewiesenen Betriebsbereich kontinuierlich erhöht und bei Erreichen eines über die Parallelschaltung fließenden konstanten Gesamtstroms die zugehörige Versorgungsspannung fixiert und unverändert hält. Somit liegt der Erfindung das Konzept zugrunde, dass bei an einer gemeinsamen Spannungsquelle betriebenen, über lineare Konstantstromschaltungen parallel geschalteten Leuchtdiodenchip-Anordnungen lediglich der Gesamtstrom der Parallelschaltung erfasst werden muss, um die Versorgungsspannung einzustellen, wobei beim Hochfahren der Spannungsquelle die Versorgungsspannung auf dem Wert fixiert wird, ab dem der Gesamtstrom einen konstanten Wert erreicht.
Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, dass für unterschiedliche Modulschaltungen nur noch eine einheitliche, als stromgeführte Spannungsquelle ausgebildete Spannungsquelle eingesetzt werden muss und damit auch nur vorzuhalten ist, welche den im einzelnen erforderlichen Bedarf an modulabhängigen Vorwärtsspannungen abdeckt. In diese stromgeführte Spannungsquelle kann erforderlichenfalls eine Power-Faktor-Correction-Schaltung integriert sein. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei Ausfall eines Einzelmoduls auch ein Ersatzmodul mit einer aufgrund der Bestückung mit einer anderen Selektionsklasse zugehörigen Leuchtdiodenchips unterschiedlichen Vorwärtsspannung in die Schaltung integrierbar ist, weil die stromgeführte Spannungsquelle automatisch eine bei dem Ersatzmodul auftretende andere Vorwärtsspannung berücksichtigt.
Soweit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen ist, dass die lineare Konstantstromschaltung auf jedem zugeordneten Modul angeordnet und der auf dem einzelnen Modul angeordneten Leuchtdiodenchip-Anordnung in Reihenschaltung vorgeschaltet ist, bringt zwar die Anordnung der linearen Konstantstromschaltungen auf den einzelnen Modulen selbst eine gewisse Wärmebelastung für die Module mit sich, jedoch ist die bei der maximalen Belastung der Konstantstromschaltungen auftretende Wärmeentwicklung vergleichsweise gering und beeinflusst bei Normalbetrieb die nachgeschalteten Leuchtdiodenchips nicht, da die stromgeführte Spannungsquelle eine Versorgungsspannung lediglich in der Höhe der maximalen, bei den miteinander verschalteten Einzelmodulen gegebenen Vorwärtsspannung einregelt.
Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die lineare Konstantstromschaltung getrennt von dem Modul angeordnet und dem einzelnen Modul in einer Reihenschaltung vorgeschaltet ist.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass an der stromgeführten Spannungsquelle bei einem Abfall des abgegebenen Gesamtstroms um einen voreingestellten Wert eine Abschaltung der stromgeführten Spannungsquelle mit sofortigem, neuerlichen Durchfahren ihres Betriebsbereiches eingerichtet ist. Da bei Ausfall eines in der Parallelschaltung befindlichen Moduls der aufgenommene Gesamtstrom abfällt, kann die stromgeführte Spannungsquelle über eine Abschaltung mit einem sofortigen neuerlichen Durchfahren des Betriebsbereiches die Spannung entsprechend neu auf die maximale Vorwärtsspannung der verbliebenen Module einstellen.
Der gleiche Effekt ergibt sich, wenn ein den eingesetzten linearen Konstantstromschaltungen jeweils zugeordneter Überhitzungsschutz oder auch ein elektronischer Überstromschutz wirksam wird und zum Schutze des Systems eine Abschaltung der stromgeführten Spannungsquelle herbeiführt. In diesem Fall fährt die stromgeführte Spannungsquelle die Versorgungsspannung anschließend sofort wieder hoch, um die verbliebenen Module mit einer Versorgungsspannung entsprechend der maximalen Vorwärtsspannung der verbliebenen Module geregelt zu versorgen.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Betriebsbereich der stromgeführten Spannungsquelle dem Bereich der Sicherheitskleinspannung entspricht, wobei vorgesehen sein kann, dass der Betriebsbereich der stromgeführten Spannungsquelle 5 V bis 35 V beträgt. Allerdings ist der Anwendungsbereich der Erfindung und insbesondere einer stromgeführten Spannungsquelle nicht auf den vorgenannten Spannungsbereich beschränkt, sondern kann auch höhere Spannungen umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass die stromgeführte Spannungsquelle den Betriebsbereich während eines vorgegebenen Zeitraumes, beispielsweise von 250 ms, durchfährt, solange die Regelzeit so kurz bemessen ist, dass mit dem Auge wahrnehmbare Lichtunterschiede nicht auftreten.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, welches nachstehend beschrieben ist. Es zeigen:
1 die Anordnung mehrerer an eine gemeinsame Spannungsquelle angeschlossener Module,
2 die Funktionalität der vorgesehenen stromgeführten Spannungsquelle in einem schematischen Spannungs/Strom-Zeit-Diagram.
In 1 sind drei jeweils mit einer Leuchtdiodenanordnung 18 versehene Module 10, 11, 12 in Parallelschaltung an eine stromgeführte Spannungsquelle 15 angeschlossen. Dementsprechend stellt sich in dem von der Spannungsquelle 15 abgehenden Leitungsstrang 13 ein Gesamtstrom I_ges ein, während in den parallel geschalteten Leitungssträngen 14 mit den zugeordneten Modulen 10, 11, 12 die Ströme I₁₀, I₁₁, I₁₂ fließen. Die Schaltung ist nur beispielhaft; sie ist um weitere Module erweiterbar, wobei eine Begrenzung in der für einen sich in Abhängigkeit von der Anzahl der Module einstellenden Gesamtstrom erforderlichen Auslegung der Leitungen und Schalterverbindungen liegen mag.
Jede Leuchtdiodenanordnung 18 auf jedem Modul 10, 11, 12 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus fünf in Reihenschaltung angeordneten Leuchtdiodenchips. Dabei kann angenommen werden, dass die auf dem Modul 10 befindlichen Leuchtdiodenchips hinsichtlich ihrer Vorwärtsspannung der Selektionsklasse von 3,2 V zuzuordnen sind; mithin ergibt sich eine modulbezogene Vorwärtsspannung von 16 V. Soweit eine Abweichung von 0,1 V Vorwärtsspannung an den Leuchtdiodenchips im Rahmen einer derartigen Selektionsklasse zulässig ist, kann sich durch Fehleraddition eine modulbezogene Vorwärtsspannung von 16,5 V ergeben. Geht man für das Modul 11 von einer Selektionsklasse der eingesetzten Leuchtdiodenchips von 3,3 V aus, so ergibt sich entsprechend eine modulbezogene Vorwärtsspannung von 17 V und entsprechend bei dem Modul 12 bei Leuchtdiodenchips der Selektionsklasse 3,4 V eine Vorwärtsspannung von 17,5 V.
Damit beträgt der Spannungsunterschied in den maximal auftretenden modulbezogenen Vorwärtsspannungen 1,5 V. Um die vorgenannten Spannungsunterschiede bei der Stromversorgung der auf den Modulen befindlichen Leuchtdiodenchips auszugleichen, ist auf jedem der Module 10, 11, 12 eine als Konstantstromschaltung 17 ausgebildete linare Stromquelle angeordnet. Als zugeordnete Stromquellen könnten beispielsweise die Stromregler „MAX 16800" der Maxim Integrated Products, Sunnyvale, USA, verwendet werden, die für die Regelung eines konstanten Stroms von 350 mA eingerichtet sind. Dieser Strom von 350 mA entspricht beispielsweise einem Betriebsstrom zum Betrieb von Leuchtdiodenchips der vorgenannten Art zum Erreichen einer vorbestimmten Helligkeit. Die eingesetzten Stromquellen würden bei einer Regelung der oben genannten 1,5 V Spannungsunterschiede und einem Eigenverbrauch von 1 V bei 350 mA eine Verlustleistung von 0,875 W erzeugen, die als Wärme anfällt. Eine derartige Wärmebelastung an einem Modul kann als im zulässigen Bereich liegend angesehen werden. Anstelle der vorgenannten Stromregler sind auch andere lineare Stromquellen oder lineare Stromquellensysteme einsetzbar.
Geht die in 1 dargestellte Modulanordnung mit den miteinander parallel verschalteten Einzelmodulen 10, 11, 12 in Betrieb, so durchfährt die stromgeführte Spannungsquelle 15 bei Zuschaltung einer Netzversorgung den ihr zugewiesenen Betriebsbereich von beispielsweise im Bereich der Sicherheitskleinspannung liegenden 5 V bis 35 V über einen entsprechend festgelegten Regelzeitraum von beispielsweise 250 ms. Der sich einstellende, von der Gesamtheit der Module 10, 11, 12 aufgenommene Strom I_ges folgt der ansteigenden Spannung der stromgeführten Spannungsquelle 15 nach. Sobald der Gesamtstrom I_ges einen konstanten Wert erreicht, der dem Strombedarf I₁₀, I₁₁, I₁₂ der verschalteten Module 10, 11, 12 entspricht, bleibt die stromgeführte Spannungsquelle 15 bei dem dem Strombedarf I_ges entsprechenden Spannungswert stehen und hält diese Versorgungsspannung aufrecht. Da es sich dabei um die maximale, an einem der Module 10, 11, 12 anliegende modulbezogene Vorwärtsspannung handelt, regeln die auf den Modulen 10, 11, 12 befindlichen Konstantstromschaltungen 17 an den Modulen anfallende zu hohe Vorwärtsspannungen ab. Bei dem in 2 in Bezug auf das zu 1 beschriebene Ausführungsbeispiel dargestellten Diagramm beträgt die Versorgungsspannung entsprechend der maximalen, im vorliegenden Beispiel an dem Modul 10 auftretenden Vorwärtsspannung 17,5 V.
Es kann einerseits vorgesehen sein, dass bei Ausfall eines der Module 10, 11, 12 der absinkende Stromfluss I_ges zu einer Abschaltung der stromgeführten Spannungsquelle 15 führt, wobei jedoch unmittelbar im Anschluss an die Abschaltung die stromgeführte Spannungsquelle 15 ihren Betriebsbereich zwischen beispielsweise 5 V und 35 V erneut durchfährt und dabei die neue Versorgungsspannung entsprechend dem Spannungsbedarf der verbliebenen Module einstellt und beibehält. Gleichermaßen kann diese Vorgehensweise vorgesehen sein, wenn ein an den linearen Konstantstromschaltungen 17 eingerichteter Überhitzungsschutz oder ein elektronischer Überstromschutz wirksam wird und eine Abschaltung der stromgeführten Spannungsquelle 15 herbeiführt. Auch in diesem Fall soll die stromgeführte Spannungsquelle sofort wieder hochfahren und bei der durch die an den verbleibenden Modulen anliegende maximale Vorwärtsspannung definierten Versorgungsspannung stehen bleiben.

Claims

Verschaltete Anordnung von eine Leuchtdiodenchip-Anordnung (18) mit wenigstens einem Leuchtdiodenchip aufweisenden Einzelmodulen (10, 11, 12) als Leuchtkörper in einer Parallelschaltung, wobei die Leuchtdiodenchip-Anordnungen (18) jeweils über eine lineare Konstantstromschaltung (17) an eine gemeinsame stromgeführte Spannungsquelle (15) angeschlossen sind, die bei Betriebsbeginn die Versorgungsspannung (U) über einen ihr zugewiesenen Betriebsbereich (5–35 V) kontinuierlich erhöht und bei Erreichen eines über die Parallelschaltung fließenden konstanten Gesamtstroms die zugehörige Versorgungsspannung fixiert und unverändert hält.
Verschaltete Modulanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Konstantstromschaltung (17) auf jedem zugeordneten Modul (10, 11, 12) angeordnet und der auf dem einzelnen Modul (10, 11, 12) angeordneten Leuchtdiodenchip-Anordnung (18) in Reihenschaltung vorgeschaltet ist.
Verschaltete Modulanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Konstantstromschaltung (17) getrennt von dem Modul (10, 11, 12) angeordnet und dem einzelnen Modul (10, 11, 12) in einer Reihenschaltung vorgeschaltet ist.
Verschaltete Modulanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher an der stromgeführten Spannungsquelle (15) bei einem Abfall des abgegebenen Gesamtstroms um einen voreingestellten Wert eine Abschaltung der stromgeführten Spannungsquelle (15) mit sofortigem, neuerlichen Durchfahren ihres Betriebsbereiches eingerichtet ist.
Verschaltete Modulanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher an den den Modulen (10, 11, 12) zugeordneten linearen Konstantstromschaltungen (17) ein Überhitzungsschutz eingerichtet ist, der eine Abschaltung der stromgeführten Spannungsquelle (15) mit sofortigem neuerlichen Durchfahren ihres Betriebsbereiches herbeiführt.
Verschaltete Modulanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher der Betriebsbereich der stromgeführten Spannungsquelle (15) dem Bereich der Sicherheitskleinspannung entspricht.
Verschaltete Modulanordnung nach Anspruch 6, bei welcher der Betriebsbereich der stromgeführten Spannungsquelle (15) 5 V bis 35 V beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die stromgeführte Spannungsquelle (15) den Betriebsbereich während eines vorgegebenen Zeitraumes durchfährt.
Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher der Zeitraum 250 ms beträgt.