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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Ansteuerung
einer elektrischen Energieversorgung von einem oder mehreren elektrischen
Verbrauchern, wobei mindestens ein elektrischer Verbraucher über eine
Strom begrenzende Einrichtung mit elektrischer Energie versorgt
wird.
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Es
sind verschiedene elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Licht
emittierende Dioden (LEDs) bekannt, die bei einem zu großen Stromfluss beschädigt oder
völlig
zerstört
werden können.
Aus diesem Grund werden derartige elektrische Verbraucher üblicherweise
derart mit einer Strom begrenzenden Einrichtung verschaltet, dass
die Energieversorgung der elektrischen Verbraucher durch die mindestens
eine Strom begrenzende Einrichtung kontrolliert und auf einen maximalen
Betriebsstrom begrenzt wird, der für die angeschlossenen elektrischen
Verbraucher ungefährlich
ist.
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Es
sind verschiedene Systeme oder integrierte Bausteine bzw. Mikrokontroller
auf dem Markt, die für
die Ansteuerung mehrerer und gegebenenfalls einer vorab unbekannten
Anzahl von jeweils mit einer Strom begrenzenden Einrichtung verbundenen elektrischen
Verbrauchern geeignet sind. Die aus der Praxis bekannten Systeme
oder integrierten Bausteine können
dabei wahlweise mit einer festen oder variablen Betriebsspannung
bzw. mit einem festen oder variablen Betriebsstrom betrieben werden.
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Die
für einen
optimalen Betrieb vorgegebene Betriebsspannung muss dabei ausreichend
groß sein,
so dass sich bei jedem elektrischen Verbraucher eine ausreichend
große
Spannungsdifferenz einstellt, um den betreffenden elektrischen Verbraucher
in der gewünschten
Art und Weise betreiben zu können.
Wird jedoch eine zu große
Betriebsspannung eingestellt, so muss ein Teil der während des Betriebs
eingespeisten elektrischen Leistung in der mindestens einen Strom
begrenzenden Einrichtung entnommen und in eine nicht elektrische
Energie, beispielsweise in Wärme,
umgewandelt werden. Die dabei erzeugte Wärme verschlechtert oftmals
den Wirkungsgrad der elektrischen Energieversorgung der elektrischen
Verbraucher und kann zu einer zusätzlichen Einschränkung oder
Beeinträchtigung während des
Betriebs der elektrischen Verbraucher führen.
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Aus
der Praxis ist die Verwendung einer variablen Spannungsquelle bekannt,
die entweder fest vorgegeben oder an den von der Strom begrenzenden
Einrichtung für
den oder die daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher abfallende
Spannungsdifferenz angepasst wird. In diesem Fall ist jedoch für jede Strom
begrenzende Einrichtung eine gesonderte Steuerung oder Regelung
der Spannungsquelle sowie eine gesonderte elektrisch leitende Verbindung
erforderlich.
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Es
wäre auch
denkbar, für
die elektrische Versorgung des einen oder der mehreren elektrischen
Verbraucher einen konstanten Strom vorzusehen. Würde der konstante Strom jedoch
oberhalb des für
den elektrischen Verbraucher zulässigen
Stromwertes liegen, so würde
ein Teil der elektrischen Leistung wieder in Wärme umgewandelt werden. Werden mehrere
elektrische Verbraucher in einer Parallelschaltung betrieben, so
würde sich
der für
die elektrische Energieversorgung verwendete konstante Strom nicht
gleichmäßig auf
die parallel geschalteten elektrischen Verbraucher verteilen.
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Es
sind auch verschiedene integrierte elektronische Bausteine oder
Mikrokontroller bekannt, die entweder einzelne elektrische Verbraucher
oder mehrere elektrische Verbraucher ansteuern können. In den aus der Praxis
bekannten Ansteuereinrichtungen für LEDs ist oftmals eine variable
Spannungsquelle in Kombination mit einer Strom begrenzenden Einrichtung
auf einen Chip integriert. Allerdings ist auch bei derartigen integrierten
Ansteuerbausteinen jeweils nur eine LED oder eine Reihenschaltung
mit einer vorgegebenen Anzahl von LEDs zulässig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, ein Verfahren zur
Ermittlung einer Ansteuerung einer elektrischen Energieversorgung
von einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern so auszugestalten,
dass möglichst
viele und gegebenenfalls unterschiedliche elektrische Verbraucher
mit einer möglichst
geringen elektrischen Leistung mit einem möglichst großen Wirkungsgrad betrieben
werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass ausgehend von einem vorgegebenen Startwert für eine Versorgungsspannung
so lange die Versorgungsspannung verändert und die dadurch bewirkte Änderung
eines durch den einen oder die mehreren elektrischen Verbraucher
fließenden Gesamtstroms
ermittelt wird, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium für weitere Änderungen
der Versorgungsspannung erfüllt
ist und der dadurch ermittelte Wert der Versorgungsspannung als
Betriebsspannung vorgegeben wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht darauf, dass bei den üblicherweise
verwendeten elektrischen Verbrauchern mit zunehmender Versorgungsspannung
auch der durch den elektrischen Verbraucher fließende Gesamtstrom in einer
oftmals bekannten Art und Weise zunimmt. Im einfachsten Fall besteht
eine lineare Abhängigkeit
zwischen der Versorgungsspannung und dem sich einstellenden Stromfluss
eines elektrischen Verbrauchers.
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Sobald
jedoch durch eine Strom begrenzende Einrichtung der Stromfluss bei Überschreiten
einer zulässigen
Maximalspannung begrenzt wird, ändert
sich der resultierende Gesamtstrom durch den einen oder die mehreren
elektrischen Verbraucher nicht mehr in dem Maße, wie es vorher der Fall
war. Sind der oder die elektrischen Verbraucher lediglich über eine
Strom begrenzende Einrichtung mit elektrischer Energie versorgt,
so dürfte
sich idealerweise der durch die elektrischen Verbraucher fließende Gesamtstrom
nach Überschreiten
eines durch die Strom begrenzende Einrichtung vorgegebenen Grenzwertes
nicht mehr ändern,
so dass – unabhängig von
der anstehenden Versorgungsspannung – ein Plateau des durch den
oder die elektrischen Verbraucher fließenden Gesamtstroms erreicht wird
und der sich einstellende Wert des Gesamtstroms sich nicht mehr ändert. Würde die
Versorgungsspannung weiter erhöht
werden, so würde
die zusätzlich
zugeführte elektrische
Leistung vollständig
in der Strom begrenzenden Einrichtung in Wärme umgewandelt werden.
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Durch
eine geeignetes Abbruchskriterium kann sichergestellt werden, dass
die Versorgungsspannung auf denjenigen Wert eingestellt wird, bei welchem
die jeweils angeschlossenen elektrischen Verbraucher mit einem möglichst
hohen Wirkungsgrad betrieben werden und gleichzeitig keine oder
lediglich eine geringe elektrische Leistung in der mindestens einen
Strom begrenzenden Einrichtung in Wärme umgesetzt wird.
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Vorzugsweise
ist vorgegeben, dass als Abbruchkriterium ein Schwellenwert für eine maximale Änderung
des Gesamtstroms vorgegeben wird, die bei einer vorgegebenen Änderung
der Versorgungsspannung nicht überschritten
werden darf. Solange sich bei einer Veränderung der Versorgungsspannung
auch der Gesamtstrom entsprechend ändert, wird noch keine nennenswerte
elektrische Leistung in der oder den Strom begrenzenden Einrichtung
umgesetzt. Um den Wirkungsgrad der einzelnen elektrischen Verbraucher
zu verbessern, kann die Versorgungsspannung verändert, üblicherweise erhöht werden.
Erst wenn sich der durch den einen oder die mehreren elektrischen
Verbraucher fließende
Sandstrom bei einer vorgegebenen Änderung der Versorgungsspannung
nicht mehr nennenswert ändert,
wird die durch eine Erhöhung
der Versorgungsspannung zusätzlich
zugeführte
elektrische Leistung vollständig in
der mindestens einen Strom begrenzenden Einrichtung in Wärme umgewandelt.
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Bei
dem vorausgehend beschriebenen Verfahren und dem Abbruchkriterium
eines Schwellenwertes für
die jeweils ermittelte Änderung
des Gesamtstroms wird davon ausgegangen, dass sich auf Grund der
Strom begrenzenden Einrichtung oberhalb einer durch das Verfahren
zu ermittelnden Versorgungsspannung ein Plateau des Gesamtstroms
mit einem näherungsweise
konstanten Stromwert einstellt. Der Schwellenwert für eine Änderung
des Gesamtstroms, der für
einen Abbruch des Verfahrens unterschritten werden muss, wird dabei
zweckmäßigerweise
ausreichend klein vorgegeben, so dass auch bei mehreren parallel
angeschlossenen Strom begrenzenden Einrichtungen erst bei Erreichen
eines Plateaus und nicht schon bei einer vorhergehenden Änderung
der Versorgungsspannung-Gesamtstrom-Relation
das Verfahren zur Ermittlung der Betriebsspannung abgebrochen wird.
Der Schwellenwert sollte jedoch ausreichend groß sein und einen Abbruch des
Verfahrens nach möglichst
wenig Verfahrensschritten bzw. iterativen Änderungen der Versorgungsspannung
zu ermöglichen
und dabei möglichst
unabhängig
von störenden
Einflüssen
sein, welche die präzise
Ermittlung der sich einstellenden Änderung des Gesamtstroms beeinträchtigen
oder verfälschen
können.
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Die
Versorgungsspannung kann dabei jeweils um einen festen Betrag verändert oder
um einen vorgegebenen Faktor verändert
werden, wobei sich auch der Faktor jeweils ändern kann. Es ist denkbar,
dass die Versorgungsspannung ausgehend von einem kleinen Startwert
mit jeder nachfolgenden Änderung
erhöht
wird oder dass die Versorgungsspannung ausgehend von einem oberhalb
der vorgesehenen oder erwarteten Betriebsspannung liegenden Startwert
mit jeder Änderung
erniedrigt wird.
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Es
ist auch denkbar, dass ausgehend von einer ersten vorgegebenen Änderung
der Versorgungsspannung die sich einstellende Änderung des Gesamtstroms ermittelt
und in Abhängigkeit
davon eine weitere Änderung
der Versorgungsspannung vorgenommen wird. Diese Abhängigkeit
einer nachfolgenden Änderung
der Versorgungsspannung kann dabei sowohl das Vorzeichen als auch
den Betrag der ermittelten Änderung
des Gesamtstroms berücksichtigen.
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Einer
vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist
vorgesehen, dass jede nachfolgende Änderung der Versorgungsspannung kleiner
als die vorangehende Änderung
der Versorgungsspannung ist.
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Ausgehend
von einer ausreichend groß gewählten ersten Änderung
der Versorgungsspannung kann auf diese Weise erreicht werden, dass
bereits nach einer geringen Anzahl von Verfahrensschritten, bwz.
sukzessiven Änderungen
der Versorgungsspannung die aufeinander folgenden Messungen des sich
einstellenden Gesamtstroms zunehmend auf den Bereich der Versorgungsspannung
eingeschränkt
und konzentriert werden, in welchem sich die gesuchte Betriebsspannung
befindet. Die jeweils nachfolgende Änderung der Versorgungsspannung kann
dabei um einen vorgegebenen festen Faktor, beispielsweise um den
Faktor zwei, verringert werden.
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Es
ist auch denkbar, dass die nachfolgende Änderung der Versorgungsspannung
in Abhängigkeit von
der vorausgegangenen Änderung
der Versorgungsspannung und der sich ergebenden Änderung des Gesamtstroms bestimmt
wird.
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Einer
vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist
vorgesehen, dass als Abbruchkriterium ein Minimalwert für die Änderung der
Versorgungsspannung vorgegeben wird. Unabhängig von einer Auswertung der
sich jeweils ergebenden Änderungen
des Gesamtstroms wird das Verfahren in diesem Fall dann abgebrochen,
wenn die nachfolgende Änderung
der Versorgungsspannung kleiner als ein vorgegebener Minimalwert
wäre, da
in diesem Fall davon auszugehen ist, dass auch bei einer weiteren
Fortsetzung des Verfahrens keine wesentliche Veränderung mehr eintreten kann
und die Betriebsspannung hinreichend genau vorgegeben werden kann.
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Vorsorglich
kann vorgesehen sein, dass als Abbruchkriterium eine maximale Anzahl
von Änderungen
der Versorgungsspannung vorgegeben wird. Dieses Abbruchkriterium
sollte zweckmäßigerweise zumindest
zusätzlich
vorgesehen sein, damit auch in außergewöhnlichen Fällen, in denen das vorangehend
beschriebene Verfahren nicht oder nur äußerst langsam konvergiert,
ein Abbruch des Verfahrens erzwungen werden kann.
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Sofern
das in diesem Fall durchgeführte
Verfahren zur Ermittlung einer Ansteuerung lediglich zeitweise oder
durch Fehlmessungen beeinträchtigt wurde
kann vorgesehen sein, dass in diesem Fall das Verfahren automatisch
mit neuen Startwerten und gegebenenfalls einer anderen Vorschrift
für die
sukzessive Änderung
der Versorgungsspannung wiederholt wird.
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Um
eine nachteilige Beeinträchtigung
während
der Durchführung
des Verfahrens zu vermeiden, die durch oftmals unvermeidbare Einschwingvorgänge derartiger
elektronischer Schaltungen bewirkt werden kann, ist vorgesehen,
dass die sich einstellende Änderung
des Gesamtstroms erst nach einer Totzeit im Anschluss an die jeweilige Änderung
der Versorgungsspannung ermittelt wird. Im Anschluss an die Veränderung
der Versorgungsspannung wird dann mindestens die durch die Totzeit
vorgegebenen Zeitdauer abgewartet, bevor die Ermittlung des Gesamtstroms
erfolgt. Die Totzeit sollte zweckmäßigerweise so bemessen sein,
dass etwaige Einschwingvorgänge
abgeschlossen sind, aber keine unnötig lange Messdauer für das gesamte
Verfahren vorgegeben wird.
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Um
die Durchführung
des Verfahrens auch dann zu ermöglichen,
wenn die elektrischen Verbraucher üblicherweise diskontinuierlich
mit elektrischer Energie versorgt werden, wie es beispielsweise
bei einer pulsweiten modellierten Spannungsversorgung für LEDs üblich ist,
ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Versorgungsspannung
diskontinuierlich angelegt wird und die Ermittlung der Änderung des
Gesamtstroms mit der diskontinuierlich anliegenden Versorgungsspannung
synchronisiert wird.
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In
einigen Fällen
kann ein temperaturabhängiges
Verhalten der elektrischen Verbraucher nicht ausgeschlossen oder
im voraus berücksichtigt
werden. In diesen Fällen
könnte
sich eine Veränderung des
Gesamtstroms während
der Durchführung
des Verfahrens zur Ermittlung der Ansteuerung allein dadurch ergeben,
dass sich die Umgebungstemperatur oder die Betriebstemperatur des
elektrischen Verbrauchers verändert.
Aus diesem Grund ist vorgesehen, dass Temperaturveränderungen
während
der Ermittlung der Betriebsspannung berücksichtigt und/oder mittels
geeigneter elektronischer Einrichtungen oder Korrekturverfahren
kompensiert werden.
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Um
den Einfluss von vereinzelten Fehlmessungen oder kurzzeitigen Beeinträchtigungen
des Verfahrens zu reduzieren ist vorgesehen, dass der Wert für die Betriebsspannung
mehrfach ermittelt und ausgehend von den mehreren ermittelten Werten
ein gemittelter und/oder korrigierter Wert für die Betriebsspannung berechnet
wird.
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In
Abhängigkeit
von der Anzahl und Anordnung sowie den elektrischen Eigenschaften
der mehreren elektrischen Verbraucher kann vorgesehen sein, dass
in einem letzten Verfahrensschritt die Betriebsspannung um einen
vorgegebenen Wert erhöht wird.
Insbesondere bei einer großen
Anzahl elektrischen Verbraucher kann durch eine geringfügige Erhöhung der
Betriebsspannung eine zuverlässige
und ausreichende elektrische Energieversorgung gewährleistet
werden und verhindert werden, dass bereits kleinste Veränderungen
der Betriebsspannung, wie sie während
eines über
einen langen Zeitraum andauernden Betriebs auftreten können, eine
merkliche Auswirkung auf die Ansteuerung, bzw. Energieversorgung
der einzelnen elektrischen Verbraucher hat.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel näher erörtert, welches
in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
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1 schematisch
die Abhängigkeit
eines Gesamtstroms von mehreren elektrischen Verbrauchern, die über mehrere
strombegrenzende Einrichtungen mit elektrischer Energie versorgt
werden, in Abhängigkeit
von einer Versorgungsspannung und
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2 ein
schematisches Flussdiagramm für ein
Verfahren zur Ermittlung einer Ansteuerung der mehreren elektrischen
Verbraucher, um eine Betriebsspannung für die elektrischen Verbraucher
zu ermitteln.
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Bei
dem in 1 schematisch dargestellten Diagramm wird ein
Gesamtstrom I(U) in Abhängigkeit von
einer Versorgungsspannung dargestellt. Der spannungsabhängige Gesamtstrom
I(U) nimmt dabei mit zunehmender Versorgungsspannung U nicht gleichmäßig zu,
wie es bei linearen elektrischen Stromverbrauchern zu erwarten wäre. Aufgrund
der Strom begrenzenden Einrichtungen entsteht ein nicht linearer,
diskontinuierlicher Anstieg des Gesamtstroms I(U) mit zunehmender
Versorgungsspannung U, wobei der resultierende Verlauf des Gesamtstroms
I(U) zunehmend abflacht und in ein Plateau mündet. Bei Erreichen des Plateaus
wird der durch jeden elektrischen Verbraucher fließende Strom durch
die zugeordnete strombegrenzende Einrichtung begrenzt, so dass bei
einem weiteren Anstieg der Versorgungsspannung U keine Erhöhung des Gesamtstroms
I(U) mehr stattfinden kann und die zusätzlich dem System zugeführte Energie
vollständig in
Wärme umgesetzt
werden muss. Die Betriebsspannung UB wird zweckmäßigerweise als kleinste Spannung
innerhalb des Plateaus für
den Gesamtstrom I(U) gewählt.
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Für verschiedene
Anordnungen oder Eigenschaften der elektrischen Verbraucher ergibt
sich auch ein unterschiedlicher, jeweils von der Versorgungsspannung
U abhängiger
Gesamtstrom I(U). Als Betriebsspannung UB soll die in jedem Einzelfall kleinstmögliche Versorgungsspannung
vorgegeben werden, bei welcher der sich ergebende Gesamtstrom I(U)
den Grenzwert für
den Gesamtstrom I(U) innerhalb des Plateaus annimmt, bzw. diesen
Grenzwert innerhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts erreicht.
Zu diesem Zweck muss entweder ausgehend von einem kleinen Startwert
der Versorgungsspannung U diese sukzessive erhöht werden, bis keine signifikante Änderung
des Gesamtstroms I(U) mit zunehmender Versorgungsspannung U mehr
festgestellt werden kann und der Beginn des Plateaus erreicht ist,
oder aber es kann ausgehend von einer maximalen Versorgungsspannung
Umax diese sukzessiv erniedrigt werden, bis erstmals eine signifikante
Abweichung von dem bis dahin konstant gebliebenen Gesamtstrom I(U)
festgestellt werden kann.
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Die
Betriebsspannung UB wird dann in vorteilhafter Weise auf diesen
Wert der Versorgungsspannung U eingestellt, der im ersten Fall den Übergang
eines bis dahin ansteigenden Gesamtstroms I(U) in das Plateau mit
einem konstanten Wert für
den Gesamtstrom I(U) und im zweiten Fall den Beginn einer Abweichung
des Gesamtstroms I(U) von dem Plateau repräsentiert.
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Bei
dem in 2 schematisch dargestellten Verfahren zur Ermittlung
einer Ansteuerung einer elektrischen Energieversorgung von einem
oder von mehreren elektrischen Verbrauchern werden in einem ersten
Verfahrensschritt 1 die Startwerte für die Versorgungsspannung und
die nachfolgende Änderung
der Versorgungsspannung vorgegeben und der sich ergebende Gesamtstrom
bei dem Startwert der Versorgungsspannung ermittelt.
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In
einem anschließenden
Verfahrensschritt 2 wird die Versorgungsspannung um den
vorgegebenen Wert erhöht
und aus dem sich dann ergebenden Wert des Gesamtstroms die resultierende Änderung des
Gesamtstroms berechnet.
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In
einem nachfolgenden Verfahrensschritt 3 wird überprüft, ob bereits
ein vorgegebenes Abbruchkriterium erfüllt wird. Geeignete Abbruchkriterien
sind beispielsweise eine lediglich geringe Änderung des Gesamtstroms, eine
zu geringe Änderung
der Versorgungsspannung, die für
einen gegebenenfalls nachfolgenden Verfahrensschritt vorgesehen
wäre oder
aber eine maximale Anzahl von Verfahrensschritten, die bereits überschritten
ist.
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Ist
das Abbruchkriterium erfüllt,
so wird das Verfahren zur Ermittlung der Ansteuerung beendet und
der aktuelle Wert der Versorgungsspannung als Betriebsspannung für die betreffende
Energieversorgung der elektrischen Verbraucher vorgegeben.
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Ist
das Abbruchkriterium nicht erfüllt,
so wird die Versorgungsspannung in einem Verfahrensschritt 4 um
einen vorgegebenen Betrag oder Faktor verändert und das Verfahren bei
Verfahrensschritt 2 fortgesetzt. Die Verfahrensschritte 2 und 3 und
gegebenenfalls 4 werden so lange wiederholt, bis das Abbruchkriterium
gemäß Verfahrensschritt 3 erfüllt ist
und die Betriebsspannung vorgegeben werden kann.